En 1892, Vallotton retourne en Suisse et se consacre à la gravure sur bois pour le journal satirique *Le Chat noir*. Il collabore également avec le magazine *La Vie moderne* qui publie ses illustrations pour des contes de Hans Christian Andersen. Pendant ce temps, il poursuit son œuvre picturale et expose ses toiles au Salon des artistes français à partir de 1893.
En 1896, Vallotton rencontre le peintre Edvard Munch à Berlin et est influencé par l'expressionnisme norvégien. De retour à Paris en 1897, il expose ses œuvres au Salon des indépendants où il rencontre les membres du mouvement fauve. Vallotton ne rejoint pas le groupe, mais son style se rapproche progressivement de celui-ci. Il réalise des portraits et des natures mortes marqués par leur intensité émotionnelle et une palette délicieusement colorée.
Dans les années 1900-1910, Vallotton se consacre principalement à la gravure sur bois et aux eaux-fortes. Il collabore avec des journaux suisses tels que *Le Peuple* et *La Vie nouvelle*, où il publie ses œuvres politiquement engagées contre les mouvements nationalistes. Vallotton est également un illustrateur de premier plan pour des livres d'auteurs comme Guy de Maupassant, Flaubert ou Stendhal.
En 1907, il se marie avec la chanteuse allemande Marie Bauer qu'il avait rencontrée à Berlin en 1896. Le couple aura trois enfants, dont le plus connu est l'écrivain Pierre Vallotton.
Dans les années 1910-1920, Felix Vallotton se retire de la vie artistique parisienne et vit principalement à Lausanne où il enseigne à l'École cantonale d'art de Lausanne (ECAL). Il continue cependant à exposer ses œuvres en Suisse et en France.
Felix Vallotton meurt à Lausanne le 28 décembre 1925, peu avant son soixantième anniversaire. Il laisse une œuvre abondante et variée dans lesquelles il montre sa maîtrise de différents techniques et sa capacité à aborder diverses thématiques avec une grande sensibilité et une vigueur remarquable.