Важным моментом в творческой биографии Лотмана было знакомство в начале 1960-х гг. с кругом московских семиотиков (В. Н. Топоров, Вяч. Вс. Иванов, И. И. Ревзин и др.), организовавших в 1962 г. Симпозиум по структурному изучению знаковых систем в Институте славяноведения АН СССР. Комплекс новых идей начала 1960-х гг. – кибернетика, структурализм, машинный перевод, искусственный интеллект, бинаризм в культурологическом описании и др. – привлек Лотмана и заставил его во многом пересмотреть первоначальную марксистскую литературоведческую ориентацию.

В 1964 г. в Кяэрику (Эстония) под руководством Лотмана была организована Первая летняя школа по изучению знаковых систем, где собрались представители новых направлений науки. Эти школы затем собирались каждые два года до 1970 г. На одну из школ смог (с большими трудностями) приехать и Р. Якобсон с К. Поморской. Сближение Москвы и Тарту воплотилось в знаменитой серии «Трудов по знаковым системам», издававшейся в Тарту (в 1998 г. вышел 26-й выпуск) и на протяжении долгого времени служившей трибуной новых идей. С рядом участников летних школ Лотманом написаны совместные теоретические работы, в частности, с А. М. Пятигорским и особенно – с Б. А. Успенским, с которым Лотман много сотрудничал.

Увлечение семиотическими идеями привело Лотмана к углубленным занятиям семиотикой кино, искусственным интеллектом, функционированием полушарий головного мозга. Центральным трудом этого периода явилась обобщающая книга «Universe of the Mind», готовившаяся для английского издания (в русской версии: «Внутри мыслящих миров», 1996). Рассматривая символ как наиболее значимый для культурологии тип знака, Лотман в основном занимается именно символами (меньше – индексами и иконическими знаками) и показывает сохранность символов при смене культурологических парадигм.

Лотману принадлежит определение семиосферы – семиотического пространства, которое принципиально гетерогенно и которое он сравнивает с музеем, где функционирует ряд упорядоченных семиотических пространств: экспонаты, картотеки, служащие, экспозиция и др. Вторая важная работа последних лет – книга «Культура и взрыв» (1992), показывающая влияние идей И. Пригожина и Р. Тома о взрыве и катастрофах как двигателях истории.