Одновременно с работой в Ленинграде Фока приглашают в Московский университет, но так как администрация физического факультета воспротивилась его намерению создать собственный научный коллектив, он ушел из МГУ. В Москве сотрудничал с Физическим институтом АН (1934–1941 и 1944–1953), в 1954–1964 – с Институтом физических проблем, а также с Институтом ядерных исследований в Дубне, курсируя непрерывно между Москвой и Ленинградом.
В годы Великой Отечественной войны в 1941–1943 гг. работал в Елабуге, куда был эвакуирован Ленинградский университет. Там Фок занимался теорией дифракции радиоволн. Результаты были столь важны, что в 1943 г. его вызвали в Москву в институт, организованный и возглавляемый академиком А.И. Бергом, для продолжения работ по распространению радиоволн. В 1946 г. за работы по дифракции радиоволн вокруг земной поверхности был удостоен Сталинской (Государственной) премии I степени.
В самом начале войны, когда Фок с семьей, не успев эвакуироваться, остался в Ленинграде, он составил восемь тетрадей таблиц стрельбы из орудий военно-морских кораблей по целям, расположенным вдали от береговой линии. За это был награжден медалью «За оборону Ленинграда», которой очень гордился.
Наиболее характерной чертой всех работ В.А. Фока является сочетание тонкого физического чутья и необычайной математической мощи. Первые его научные работы относились скорее к математике и математической физике. Возможно, он так бы и остался математиком и, по мнению многих, достиг бы в этой науке выдающихся результатов, если бы не увлекся теорией строения атома и бурно развивавшейся в то время квантовой механикой.
В области квантовой механики он получил релятивистское уравнение для скалярных бесспиновых частиц (независимо полученное также О. Клейном и В. Гордоном и носящее теперь имя уравнения Клейна–Гордона–Фока). Развил предложенный Д. Хартри метод приближенного решения квантовой задачи многих тел – ему удалось учесть свойства симметрии волновой функции системы электронов. Уравнения Хартри–Фока до сих пор служат основой расчета электронных конфигураций атомов и молекул.
Весьма существенным является вклад ученого в квантовую теорию поля. Он разработал метод функционалов Фока, который позволяет изучать свойства квантовых систем с переменным числом частиц; развил предложенный Дираком метод вторичного квантования. Предложенный им метод собственного времени оказался в дальнейшем не только способом вычисления радиационных поправок в квантовой электродинамике, но и эффективным методом борьбы с бесконечностями, которые возникают при работе с квантовыми полями.
Вывел приближенные уравнения движения системы тел в рамках теории тяготения Эйнштейна – метод Фока для островного расположения масс.
