Po návratu z války se Clarke konečně mohl věnovat vysokoškolskému studiu, když získal stipendium na King’s College v Londýně. Během této doby se také znovu spojil s Britskou meziplanetární společností (které několik let předsedal) a pokračoval ve svých literárních aktivitách. V roce 1948 promoval s vyznamenáním z matematiky a fyziky a na pomezí vědce a spisovatele se rychle začal prosazovat.
Když Clarke pracoval jako pomocný redaktor časopisu Science Abstracts, vydal knihu literatury faktu Meziplanetární let (1950), v níž se zabýval možnostmi cestování vesmírem. V roce 1951 vyšel jeho první celovečerní román Prelude to Space (Předehra k vesmíru), o dva roky později následovaly vědeckofantastické práce Against the Fall of Night (Proti pádu noci) a Childhood’s End (druhá jmenovaná byla Clarkovým prvním skutečným úspěchem a nakonec byla v roce 2015 adaptována do televizní minisérie). Svou první cenu Hugo získal v roce 1956 za povídku Hvězda.
Clarke si svým psaním získal uznání jako spisovatel a proslavil se jako revoluční myslitel. Často byl konzultován členy vědecké komunity, spolupracoval s americkými vědci při navrhování kosmických lodí a pomáhal při vývoji družic pro meteorologické účely.
Raná díla
Prostřed všech svých mimozemských aktivit se Clarke v polovině 50. let začal zajímat o podmořské světy. V roce 1956 přesídlil na Srí Lanku, kde se nejprve usadil v pobřežním městě Unawatuna a později se přestěhoval do Kolomba. Clarke žil na Srí Lance po zbytek života a stal se z něj zkušený potápěč, který fotografoval regionální útesy a dokonce objevil podmořské ruiny starobylého chrámu. Své potápěčské zážitky zdokumentoval v dílech jako The Coast of Coral (1956) a The Reefs of Taprobane (1957). Své odborné znalosti využil také k založení turistické firmy Underwater Safaris.
Clarkeův osud byl však stále do značné míry spjat s vesmírem. Poté, co onemocněl dětskou obrnou, která omezila jeho pohyblivost, obrátil svou pozornost zpět ke hvězdám. V šedesátých letech se Clarke dočkal realizace některých ze svých nejdůležitějších projektů. V roce 1962 vydal knihu Profiles of the Future (Profily budoucnosti), v níž předpověděl vynálezy až do roku 2100, a v roce 1963 mu Franklinův institut udělil Ballantinovu cenu za přínos v oblasti družicové technologie. Tato pocta byla podtržena v následujícím roce, kdy družice Syncom 3 vysílala do Spojených států letní olympijské hry v Japonsku.
„2001: Vesmírná odysea“ a další knihy
Clarkeova rostoucí pověst odborníka na vše, co se týká vesmíru, vedla ke spolupráci, díky níž je asi nejznámější. V roce 1964 začal Clarke s režisérem Stanleym Kubrickem pracovat na scénáři adaptace své povídky „The Sentinel“ z roku 1951. Z ní se v roce 1968 vyvinula Kubrickem režírovaná klasika 2001: Vesmírná odysea, která je všeobecně považována za jeden z nejlepších filmů všech dob. Clarke a Kubrick byli za svůj scénář nominováni na Oscara a spolupracovali také na zpracování povídky do podoby románu, který vyšel téhož roku. Clarke později navázal literárním pokračováním 2010: (vydaný v roce 1982 a adaptovaný do podoby filmu v roce 1984), 2061: Odyssey Three (1987) a 3001: The Final Odyssey (1997).