Уже на младших курсах Демихов активно включился в научную работу и в 1937‐м самостоятельно сконструировал и пересадил собаке искусственное сердце. Оно приводилось в движение электромотором. Собака прожила еще два часа после операции – по тем временам огромный успех.
В 1940‐м Демихов окончил университет, а через год началась война, которую Демихов прошел в качестве старшего лаборанта в патологоанатомической лаборатории – поскольку по специальности был биологом, а не медиком – и закончил службу в звании старшего лейтенанта в Маньчжурии. На войне жизнь столкнула его с крайне талантливым хирургом Борисом Петровским. Искренне радея за истину, Демихов несколько раз указывал Петровскому на те или иные ошибки в процедурах. Честолюбивый Петровский затаил обиду. Через много лет он будет одним из тех, кто помешает Демихову получить заслуженную славу.
В 1945‐м, почти сразу после войны, он приходит в Институт экспериментальной и клинической хирургии. Тогда же встречает будущую жену – Лию Николаевну, в браке рождается дочь Ольга, которая теперь профессор, врач.
В 1946 г. Демихов успешно пересаживает собаке второе сердце, а вскоре полностью заменяет и сердце, и легкое – в мире науки и медицины это стало сенсацией, но в СССР к операции отнеслись крайне прохладно.
С 1946‐го по 1959‐й Демихов проведет в общей сложности 250 операций по пересадке второго сердца, причем одна из собак прожила в итоге 32 дня.
В 1948 г. Демихов начинает эксперименты по пересадке печени, а еще через несколько лет – сердца. Всё это делается для того, чтобы наконец-то перейти к самой сложной и кажущейся невозможной операции – пересадке сердца человеку. Демихов уверен, что это только вопрос времени. Но пересадка сердца от погибшего донора, помимо медицинских вопросов, поднимала и вопрос этики: если сердце еще бьется, можно ли считать донора официально мертвым? А если донор не мертв, то насколько этично пересаживать его органы реципиенту? Фактически именно из-за этого в СССР был наложен запрет на пересадку органов, а желание врачей развиваться считалось «противоречащим принципам коммунистической морали». Окончательно этот вопрос разрешили только в 1992 г., когда был принят закон о трансплантации органов.
На сердечно-легочном аппарате Демихов не остановился и в том же году пересадил печень, а чуть позже, уже в 1952‐м, придумал схему маммарно-коронарного шунтирования: здоровый сосуд подсоединяли к сердцу, и он начинал работать взамен поврежденного. Тут же схему опробовали – конечно, на собаке: для скрепления артерий использовали пластмассовые канюли и скрепки из тантала. Работа велась быстро – 2 минуты на все манипуляции. За эту работу Демихов получил первую премию – имени Бурденко.
Один из псов, прооперированных Демиховым, прожил еще более 7 лет, не испытывая особенных проблем со здоровьем. В конечном счете Демихов научился подключать к одному животному до 4 сердечно-легочных комплексов, а главное – сохранять их в функционирующем состоянии целую неделю.