После смерти отца Виктор Сергеевич переехал в Москву и перешел на работу в ФИАН.
В 1955 году был направлен на работу в ООН по подготовке 1-й конференции по мирному использованию атомной энергии.
В 1960 году защитил докторскую диссертацию и стал профессором МГУ, заведующим кафедрой полупроводников. Там же работает и сейчас, не прекращая своей научной деятельности в ФИАНе.
Обстановка для научных исследований во время пребывания обоих институтов в эвакуации была исключительно неблагоприятной. В лабораториях невероятно тесно, оборудования и материалов для исследований не хватает. В стенах Казанского университета, кроме ФИАНа, расположилась еще большая часть академических институтов, вывезенных из столицы. Помимо всего прочего, в крайне трудных бытовых условиях находились эвакуированные сотрудники и их семьи. В квартирах, где они ютились, не хватало топлива и продовольствия. Но жалоб не было. Старались не замечать невзгод.
Первое, что потребовалось в новых, чрезвычайных условиях, — это пересмотреть тематику физических исследований, придать им резко выраженный оборонный характер. Это и было сделано в кратчайший срок под руководством Сергея Ивановича.
На примере деятельности одного только Физического института Академии наук в годы Отечественной войны можно было видеть, как изменился характер старейшего научного учреждения страны.
Когда-то, в 1812 году, Петербургская академия наук почти не реагировала на нашествие иноземцев — наполеоновских войск.
В войну 1914–1918 годов положение изменилось: физическая лаборатория академии включилась в работу на помощь фронту и военной промышленности. Не так уж много, но кое-что академические ученые дали военной промышленности своей страны.
Но и тот — эпохи первой мировой войны — вклад академии в защиту родины в критические годы кажется небольшим, если сравнить его с тем, что стала делать для аналогичной цели начиная с 22 июня 1941 года советская академия.
Вавилов подтверждал этот вывод в своих воспоминаниях:
«Академическая научная громада — от академика до лаборанта и механика — направила без промедления все свои усилия, свои знания и умение на прямую или косвенную помощь фронту. Физики-теоретики от вопросов о внутриядерных силах и квантовой электродинамики перешли к проблемам баллистики, военной акустики, радио и т. д. Экспериментаторы, отложив на время острейшие вопросы космической радиации, спектроскопии и пр., занялись дефектоскопией, заводским спектральным анализом, магнитными и акустическими минами, радиолокацией.
Специальные военные исследовательские институты, заводские лаборатории, цехи и непосредственно фронт явно почувствовали живое и полезное влияние научной мысли, сосредоточенной в академии.
Во многих случаях физики работали непосредственно на фронте, испытывая свои предложения на деле; немало физиков пало на поле брани, защищая Родину».
В суровые дни войны с особой очевидностью и силой выявилась справедливость постоянно подчеркиваемой Вавиловым мысли, что нет конкуренции между академическими и ведомственными научными учреждениями, что обе системы необходимы одна другой и должны работать в постоянной связи, на равных правах, дополняя друг друга.
Прекрасная тому иллюстрация — взаимоотношения, которые установились быстро между москвичами и ленинградцами, с одной стороны, и учеными районов эвакуации — с другой. Чтобы исследования шли успешнее, Вавилов широко привлекает местные силы, особенно из числа высококвалифицированных сотрудников прославленного Казанского университета.
Как-то в начале 1942 года для изготовления военных оптических приборов Вавилову срочно понадобился специальный препарат, обладающий и сильной флуоресценцией, и сильным поглощением. Сергей Иванович обратился к известному казанскому химику А. Е. Арбузову (избранному чуть позднее, в апреле того же года, академиком) с просьбой попытаться изготовить подобный препарат.
«Взвесив возможности своей лаборатории, — рассказывал потом Арбузов, — я обещал Сергею Ивановичу выполнить его просьбу и довольно скоро синтезировал несколько десятых грамма требуемого препарата.
Вскоре (3 марта 1942 года) я получил из Йошкар-Олы от Сергея Ивановича письмо и одновременно с ним официальный заказ от Государственного оптического института с просьбой об изготовлении 15 граммов, 3,6-диаминофталамида высокой чистоты и переслал их С. И. Вавилову».
Через некоторое время Арбузов узнал, что его работа оказала большую помощь оборонной промышленности. Изготовление военных оптических приборов с применением диаминофталамида приняло широкий размах.
В 1943 году Вавилов назначается уполномоченным Государственного Комитета Обороны. Он возглавляет огромную патриотическую деятельность советских физиков по оказанию помощи Советской Армии и Флоту. Под его руководством разрабатываются новые приборы и инструменты, способствующие укреплению могущества Вооруженных Сил страны.
Теперь, кроме постоянных переездов из Йошкар-Олы в Казань и обратно, могла возникнуть необходимость поездки и в Москву.
А. А. Лебедев считает, что таких поездок было несколько: