Решив в любом случае продолжить свое образование, Гинзбург поступил на заочное отделение университета, а в следующем году перевелся на второй курс очного отделения. По состоянию здоровья (из-за увеличенной щитовидной железы) он был определен в гражданскую группу студентов, в результате чего не был мобилизован на фронт.
На втором курсе Виталий Гинзбург заинтересовался теоретической физикой. Однако он не решился выбрать ее в качестве своей специализации из-за слабого знания математики и сделал свой выбор в пользу оптики. Не последнюю роль в этом выборе сыграла личность Г. С. Ландсберга, заведующего кафедрой оптики.
В 1938 году Гинзбург заинтересовался эффектом асимметрии в испускании каналовых лучей. Осенью этого года он представил свои умозаключения гениальному физику И. Е. Тамму, в ту пору заведующему кафедрой теоретической физики, и светило советской науки одобрил и поддержал исследования Виталия.
Спустя некоторое время Гинзбург нашел решения некоторых электродинамических задач для вакуума, исследовал движение зарядов в среде, решил известную задачу об излучении Вавилова – Черенкова при движении заряда в кристаллах.
Три первых статьи по теоретической физике, опубликованные в 1939 году, легли в основу его кандидатской диссертации, которую он успешно защитил в мае 1940 года, потратив на нее меньше года. Он стал первым аспирантом на физическом факультете МГУ, окончившим аспирантуру за два года вместо положенных трех.
Дальнейшая карьера молодого ученого складывалась наилучшим образом. В 1940 году Гинзбург стал докторантом физического университета П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН). Его куратором в докторантуре стал Тамм. С того времени Гинзбург – один из наиболее плодовитых физиков-теоретиков. Даже сейчас, в преклонном возрасте, он пишет успешные научные статьи.
Еще в 1934 году ученые ФИАНа обнаружили эффект свечения равномерно движущегося электрона в среде и назвали его эффектом Вавилова – Черенкова. Классическую теорию этого явления разработали И. Е. Тамм и И. М. Франк (за нее оба физика были удостоены Нобелевской премии в 1958 году).
Гинзбург заинтересовался исследованиями своего научного руководителя и в 1940 году разработал квантовую теорию эффекта Черенкова – Вавилова и теорию черенковского (сверхсветового) излучения в кристаллах.
После начала Второй мировой войны Гинзбург вместе с сотрудниками ФИАНа, членами АН СССР и их семьями был эвакуирован в Казань. Во время войны он занимался распространением радиоволн в ионосфере, электромагнитными процессами в сердечниках и другими прикладными задачами для оборонной промышленности. В Казани ученый написал свою докторскую диссертационную работу по теории частиц с высшими спинами, которую защитил весной 1942 года и был удостоен степени доктора наук. В этом же году Гинзбург вступил в Коммунистическую партию Советского Союза (КПСС).
В конце 1943 года ученый вернулся в Москву, где стал заместителем Тамма в отделе теоретической физики ФИАНа. В это время Виталий Гинзбург всерьез заинтересовался явлением сверхпроводимости, открытым еще в 1911 году гениальным голландским физиком Камерлинг-Остером – несмотря на раннее открытие, природа сверхпроводимости не была достаточно исследована.
В 1945 году Гинзбург, не найдя работы в Москве, принял приглашение Александра Андросова стать профессором-совместителем реорганизованного радиофакультета Горьковского университета. Ученый возглавил кафедру распространения радиоволн, заведующим которой оставался до 1961 года. В Горьком Гинзбург продолжил свои исследования, начатые во время войны. Результаты его работы были представлены в двух фундаментальных монографиях, которые стали настольными книгами инженеров-радиофизиков.
В послевоенные годы ученый вернулся в Москву. В свободное время он ездил в Горький, где читал лекции, а также занимался астрофизическими и астрономическими исследованиями.
В 1946 году совместно с И. М. Франком Гинзбург разработал теорию переходного излучения, возникающего при пересечении частицей границы двух сред. Также ученый принял участие в научных исследованиях явлений сегнетоэлектрических явлений, разработал теорию экситонов, теорию фазовых переходов, а также (вместе с Ландау) интересовался сверхтекучестью жидкого гелия.
Четвертого октября 1947 года Гинзбург праздновал свое 31-летие. Однако праздник в тот день не удался. В «Литературной газете» была напечатана статья, в которой ученый обвинялся во всевозможных грехах, кроме того, его не утвердили в звании профессора Горьковского университета.
В 1948 году советские ученые зашли в тупик в проекте по изготовлению водородной бомбы. Поэтому руководитель советского атомного проекта академик И. В. Курчатов решил подключить к работе И. Е. Тамма, а тот в свою очередь подключил В. Л. Гинзбурга и А. Д. Сахарова.
Новая группа ученых работала очень эффективно. Вскоре Сахаров и Гинзбург высказали эффективные идеи, которые ускорили создание бомбы (в частности, Гинзбург предложил использовать вместо дейтериево-тритиевой смеси дейтерид лития-6).
В 1950 году к последнему этапу разработки бомбы Гинзбург не был допущен, и Тамм с Сахаровым занимались разработкой бомбы самостоятельно. Именно тогда они предложили известную систему «токамак».
За свою работу в проекте по разработке бомбы Виталий Лазаревич Гинзбург был награжден орденом Ленина и Сталинской премией первой степени.
В этом же, 1950-м, году ученый написал свою самую известную работу по природе сверхпроводимости, за которую более чем через полвека был удостоен Нобелевской премии. Эта работа была написана в сотрудничестве с другим будущим Нобелевским лауреатом и гениальным физиком – Львом Давидовичем Ландау.
С того момента полуфеноменологическая теория сверхпроводимости (теория Гинзбурга – Ландау), является визитной карточкой великого ученого. Работа ученых актуальна и в сегодняшнее время и лежит в основе микроскопической теории Бардина – Купера– Шриффера.
Теориями сверхпроводимости и сверхтекучести великий ученый занимается еще с 1940-х годов. Область его интересов огромна – от термоэлектрических явлений в сверхпроводниках до проявлений сверхпроводимости во Вселенной. В 1958 году вместе с Л. П. Питаевским Гинзбург разработал полуфеноменологическую теорию сверхтекучести, известную также как теория Гинзбурга – Питаевского.
После смерти Сталина 5 марта 1953 года ситуация в стране начала изменяться кардинальным образом. Изменения коснулись и семейной жизни Гинзбурга, и его карьеры. Из ссылки вернулась жена, ученый был избран членом-корреспондентом АН СССР.
