En 1945 a lieu sa première exposition de tableaux abstraits, galerie L’Esquisse. Dans sa préface, François Chatelet écrit : « Pour Serge Poliakoff, l’abstraction n’est pas sécheresse ; la pâte dont il pétrit ses toiles n’est jamais à son gré assez riche pour sa propre richesse. » Il envoie une toile au Salon des réalités nouvelles remarquée par le critique Guy Dornand. Dès 1946 Poliakoff rejoint l’avant-garde de la peinture abstraite. Il figure à deux reprises, à la demande de Domela, aux expositions organisées au Centre de recherches rue Cujas : la première sert d’illustration à la conférence d’Herbin sur « L’évolution de la peinture » et se retrouve aux côtés de Marie Raymond et d’Engel-Pak, la seconde, consacrée à des gouaches, dessins et aquarelles, se rapporte à une conférence de Wilhelm Uhde sur « La métaphysique grecque et la physique moderne comme fondement dans l’humanisme nouveau » et regroupe Kandinsky, Herbin, Domela, Dewasne, Deyrolle, Hartung, Marie Raymond, Schneider. Enfin une exposition est l’occasion d’un recueil de lithographies, D’un art abstrait (Éditions Opéra), préfacé par Charles Estienne, où figurent Del Marle, Dewasne, Deyrolle, Domela, Engel Pak, Fleischmann, Hartung, Miesztrik de Monda, Poliakoff, Schneider, Warb, Marie Raymond. Au Salon des surindépendants, son envoi retient Charles Estienne qui écrit dans Combat : « Saluons la réussite de Poliakoff ; il fait des toiles aussi agréablement bariolées qu’un tapis de Boukhara ou de Samarcande. » Poliakoff, craignant de tomber dans une peinture décorative, rejette les couleurs vives de sa palette qui s’assombrit. Sans doute y voit-il l’influence exercée par ses dessins de tissus qu’il exécute pour vivre et qui connaissent un vif succès. Aussi met-il fin à son activité. Il continuera à jouer de la guitare la nuit.
En 1947, il rallie la galerie Denise René et expose en mai aux côtés de Duthoo, Poujet, M. Raymond et Reth. Poliakoff reçoit le prix Kandinsky décerné pour la seconde fois. En 1948, toujours chez Denise René, il participe à des groupes : en janvier « Sculptures et peintures contemporaines » présentées par Charles Estienne et Léon Degand qui parlent de « Peinture ancienne et peinture moderne », en avril « Duthoo, Poliakoff, Jacobsen », à l’automne « Tendances de l’art abstrait » par Charles Estienne. La galerie organise sa première exposition à l’étranger, galerie Tokantene à Copenhague que dirige le petit-fils de Gauguin. Préface de Reidar Revold. Expose également galerie Haaken, Oslo.
Le musée de Grenoble lui achète un tableau, le premier à entrer dans les collections nationales. Nouvelles expositions collectives chez Denise René. En 1949 « Quelques aspects de la peinture présente », 1950 « Quelques aspects de l’art d’aujourd’hui », « Espaces nouveaux » et à la fin de l’année la présentation des lauréats du prix Kandinsky depuis sa fondation en 1946 : Dewasne et Deyrolle, Poliakoff, Max Bill, Marie Raymond et Chapoval, et en 1950 Mortensen. Toujours galerie Denise René, exposition de peintures en 1950 et à la galerie de Beaune, gouaches. 1951, exposition d’œuvres récentes à la galerie Dina Vierny accompagnée d’une préface de Ch. Estienne qui écrit : « Une peinture dont la force et l’originalité sont d’unir le modernisme le plus aigu à la qualité, à la saveur picturale les plus évidentes et les plus généreuses… Comment ne pas réagir d’emblée […] à ce besoin inné, à cet instinct presque infaillible de la couleur et en même temps à ce sens mystérieux de la vie de tous… Abstrait, Poliakoff l’est totalement : mais il ne se contente pas, non plus, d’être non figuratif : il nous propose des formes, mais de véritables formes […] qui nous troublent et nous émeuvent comme seuls peuvent le faire tous les signes qui font allusion à ce profond monde poétique enseveli en nous, telle une seconde nature. » Il participe au groupe de la galerie Denise René « Klar Form, 20 artistes de l’École de Paris », qui circule ensuite dans les pays scandinaves et en Belgique.
En 1952, il se consacre entièrement à la peinture grâce à un contrat avec la galerie Bing, et son œuvre compte déjà de fidèles collectionneurs. Alors qu’il expose à l’étranger galerie Ex-Libris Bruxelles, Circle & Square Galleries à New York que dirige Jean Larcade (c’est sa première exposition particulière aux États-Unis) et au Kunsthaus de Zurich, il participe aux manifestations, aujourd’hui historiques, de la peinture d’avant-garde organisées par Charles Estienne : en février galerie de Babylone « La Nouvelle École de Paris », « Rose de l’insulte » galerie La Hune, et premier Salon d’octobre, salle André Baugé. Il sera également invité au second en 1953. Il passe l’été à Gordes chez son ami Ch. Estienne et peint une fresque dans sa maison. Lors de l’exposition « L’Art du xxe siècle » accueillie par le musée d’Art moderne de Paris, il peut voir les deux tableaux de Malevitch conservés au Museum of Modem Art de New York, dont Carré blanc sur fond blanc. C’est un choc qui confirme ses certitudes : « Il m’a démontré une fois de plus le rôle capital de la vibration de la matière. Même s’il n’y a pas de couleur, un tableau où la matière vibre reste vivant. » En 1959, lors de l’importante exposition Malevitch à la Kunsthalle de Berne, Poliakoff sera très impressionné.
C’est en 1953, avec sa première grande exposition (quarante-cinq peintures, cinq gouaches) qui a lieu à Liège à l’APIAW, puis au palais des Beaux-Arts de Bruxelles et au musée de Verviers, que Poliakoff se révèle au grand public, préface de Robert Vrinat. Exposition galerie Évrard, Lille. À partir de 1954, ses expositions se multiplient. À Paris : galerie Bing en 1954, à cette occasion R. V. Gindertaël écrit : « De deux lois : harmonie architecturale et rythme sensible, Poliakoff attend que son travail soit logique et discipliné sous un aspect spontané et libre » et rappelle la définition de l’artiste : « L’art abstrait vient davantage de l’intérieur et va plus à l’intérieur » (in Cahiers d’art, 1954, tome II) ; puis en 1956 où, parlant de sa peinture, Julien Alvard emploie le terme d’« art “lithique” sans âge […] d’où ce caractère souvent archéologique » (in xxe Siècle, juin 1956). 1957, galerie Creuzevault (peintures), préface de Jacques Lassaigne, ainsi que pour l’exposition de gouaches présentée galerie Berggruen. Le critique remarque : « Poliakoff a le goût des matières superbes qu’il pose par couches successives s’enrichissant l’une l’autre ; il semble qu’il accorde une importance de plus en plus grande à la touche qu’il pose en éventail autour d’un centre. » 1959, galerie Berggruen et galerie Knoedler, préfaces de Christian Zervos, galerie Cahiers d’Art, dont les éditions publient une monographie de Dora Vallier où on lit notamment : « Fixer l’espace pictural rien qu’à la surface de cette superficie qu’est une toile, dans l’immobile parcours d’une couleur à elle-même. Moduler. » La même année Franz Meyer fait paraître un article, « La technique de Poliakoff », dans la revue xxe Siècle (mai-juin 1959).
Lorsque Poliakoff entreprend une toile, il dessine directement un réseau de lignes qui correspond selon lui « à son propre nombre d’or ». Puis il cherche les valeurs, ce qui l’entraîne parfois à modifier la composition initiale. Il peint par couches (trois ou quatre) qui se superposent. Les couleurs qu’il mélange sur une plaque de verre, il les fabrique avec des poudres anglaises dont le dosage est resté son secret. Le confort l’indiffère. Après l’étroit logement qui lui servait d’atelier rue du Vieux-Colombier, et où il vivait avec sa femme et ses fils, il travaillera dans une pièce-atelier minuscule rue Bonaparte. Poliakoff a confié à Julien Alvard pour son album Témoignages pour l’art abstrait (avec Gindertaël, 1952, Éditions Art d’aujourd’hui) ses réflexions sur le parti qu’il avait adopté. Nouvelles expositions parisiennes en 1963 galerie Le Divan. 1964, galerie de France, préface de Jean Cassou, et en 1965, galeries Dina Vierny et La Hune.
À l’étranger, il expose en 1954 galeries Martinet à Amsterdam et Der Spiegel à Cologne. 1955, Knoedler Galleries à New York, préface de Christian Zervos, galerie Dupont à Lille (à cette occasion conférence de Jean-Paul Aron). 1957, galerie del Naviglio à Milan, préface de Gualtieri di San Lazzaro ; Moderne Galerie Otto Stangl de Munich, préface de Franz Meyer. 1958, Kunsthalle de Bâle, préface de F. Meyer ; Kunstverein de Hambourg, préfaces Alfred Hentzen et Albert Schulze Vellinghausen ; Hanover Gallery de Londres, préface John Russel ; Galleria d’Arte Selecta à Rome, préface Gualtieri di San Lazzaro, ainsi que pour l’exposition Galleria del Naviglio Milan ; Galleria del Cavallino à Venise ; Statens Museum for Kunst de Copenhague, préfaces Jorn Rubow et Erik Andreasen ; Kunsthalle de Düsseldorf, préface Ewald Rathke. La même année Jean Grenier publie une étude dans la revue L’Œil (n° 39, mars). 1959, « Loan Exhibition of Paintings by Serge Poliakoff », The Phillips Collection, Washington DC. 1960, Kunsthalle de Berne, préface Franz Meyer ; galerie Marya, Copenhague ; Svenska-Franska Konstgalleriet, Stockholm, ainsi qu’en 1962. 1962, galerie Im Erker, Saint-Gall, préfaces Will Grohmann et Dora Vallier ; galerie Haaken, Oslo ; galerie Bonnier, Lausanne.
1963, galerie Cavalero, Cannes. Cette année ont lieu les premières rétrospectives : Kestner Gesellschaft, Hanovre, préface Wieland Schmied ; Whitechapel Art Gallery, Londres, préface John Russel ; Kunsthalle, Brême ; Museum am Ostwall, Dortmund ; Overbeck Gesellschaft, Lübeck. En 1964 au Haus der Städtischen-Kunstsammlungen, Bonn ; Württembergischer Kunstverein, Stuttgart, préface Wieland Schmied ; Städtisches Museum, Trèves, et exposition galerie der Spiegel, Cologne, préface Albert Schulze-Vellinghausen ; galerie Scott-Fauré La Jolla, Californie, préface Scott Youmans ; Lefebre Gallery, New York, préface Franz Meyer. 1965, galerie Flaviana, Locarno, préfaces Jean Cassou et Hanns Theodor Flemming ; galerie Raber, Lucerne, préface H. T. Flemming ; galerie Im Erker, Saint-Gall, préfaces H. T. Flemming et Ottomar Domnick. Nombreuses expositions tant en France qu’à l’étranger jusqu’à aujourd’hui. Liste complète dans le catalogue galerie Melki, 1991.
Parallèlement Poliakoff prend part à des expositions de groupe et aux grandes expositions internationales : avec la galerie Denise René en 1953, 1954 « Tendances actuelles de l’École de Paris » à la Kunsthalle de Berne, à l’École des beaux-arts de Sarrebruck avec Bloc, Deyrolle, Istrati, Leppien, Mortensen et Kandinsky, à l’APIAW de Liège avec Bloc, Dewasne, Deyrolle, Herbin, Mortensen et Vasarely ; 1955 au musée d’Art moderne de Rio de Janeiro. 1955, « Éloge du petit format » par Michel Ragon, galerie La Roue Paris, ainsi qu’en 1956 ; « Trente peintres de la Nouvelle École de Paris », galerie Craven, Paris. 1956, « L’aventure de l’art abstrait » par Michel Ragon, galerie Arnaud, Paris. Poliakoff figure avec Atlan et Soulages, Schneider et d’autres dans Trompe-l’œil, le premier roman de Michel Ragon dont l’action se passe chez les peintres abstraits qui interviennent sous leurs noms.
1957, « 50 années de peinture abstraite », galerie Creuze-Balzac, Paris, à l’occasion de la parution du Dictionnaire de peinture abstraite de Michel Seuphor chez Hazan ; « Expression et non-figuration » par Michel Ragon, galerie Le Gendre, Paris.
Participe au Salon de mai en 1946, 1950. Invité à la Documenta II 1959 et III 1963 de Kassel ; à « L’École de Paris », galerie Charpentier, de 1954 à 1958. « Exhibition of Contemporary Painting », Carnegie Institute, Pittsburgh. « 50 ans d’art moderne », Bruxelles. Naturalisé français en 1962, il prend part à la Biennale de Venise où une salle lui est consacrée : véritable anthologie de son œuvre couvrant vingt années. 1965, prix international de la Biennale de Tokyo. 1966, grand prix de la Biennale de Menton. La même année importante rétrospective au Kunstmuseum de Saint-Gall (catalogue, préface de Franz Meyer) et en 1968 rétrospective, Maison de la culture de Caen (conférence de Dora Vallier).
En 1958, il réalise un décor pour le ballet Contrepoint de Marius Constant, chorégraphie Roland Petit. En 1959, deux de ses toiles sont projetées pour servir de décor au spectacle Jean Tardieu-Jacques Poliéri au Théâtre de l’Alliance française à Paris.
A pratiqué la lithographie.
1970, « Poliakoff ». Musée national d’Art moderne, Paris. Catalogue Dora Vallier et Jean Leymarie.
1975, « Rétrospective de l’œuvre graphique ». Kasseler Kunstverein, Kassel.
1987, « Rétrospective ». Fondation Pierre Gianadda, Martigny. Catalogue Dora Vallier et Marie-Victoire Poliakoff.
1991, « Rétrospective ». Galerie Melki, Paris. Catalogue Dora Vallier. Biographie. Bibliographie.
2008 Exposition.Paris, Applicat-Prazan, Serge Poliakoff, 27 mars – 26 avril 2008
2013 Exposition.FIAC Paris, Applicat-Prazan, Serge Poliakoff, 24 – 27 octobre 2013
2013 Poliakoff, le rêve des formes. Paris, Musée d’Art Moderne de la Ville de Paris.
De nombreux musées conservent son œuvre parmi lesquels : Paris, national d’Art moderne,- Clermont-Ferrand, Colmar, Lille, Nantes, Paris, Toulouse, Amsterdam, Bâle, Berlin, Bonn, Bruxelles, Buenos Aires, Chicago, Copenhague, Essen, Genève, Hambourg, Helsinki, Liège, Munich, New York, Oslo, Rio de Janeiro, São Paulo, Tel-Aviv, Tokyo.
- Michel Ragon, Poliakoff. Le Musée de Poche, Éditions G. Fall 1956.
- Jean Cassou, Serge Poliakoff. Bodensee-Verlag, Amriswil 1963.
- Alexis Poliakoff, Serge Poliakoff, les estampes. Éditions Arts et Métiers graphiques, Paris 1974.
- Giuseppe Marchiori, Serge Poliakoff. Éditions Les Presses de la Connaissance, Paris 1976.
- Gérard Durozoi, Poliakoff. L’Autre Musée, Éditions La Différence 1984.
- Françoise Brütsch, Serge Poliakoff, œuvres 1923-1969. Éditions Ides et Calendes, Neuchâtel 1993.
- Alexis Poliakoff, Serge Poliakoff, Catalogue raisonné, vol. I, 1922 – 1954, Acatos, Paris, Moudon, 2005.
- Alexis Poliakoff, Serge Poliakoff, Catalogue raisonné, vol. II, 1955-1958, Archives Serge Poliakoff/Edition Galerie Française, Paris/Munich, 2010.
- Alexis Poliakoff, Serge Poliakoff, Catalogue raisonné, vol. III, 1959-1962, Archives Serge Poliakoff/Edition Galerie Française, Paris/Munich, 2011.