В 1941 году научные лаборатории Ленинградского университета были эвакуированы в город Елабуга Татарской АССР. Здесь В. А. Амбарцумян, бывший тогда проректором университета, возглавил исследовательский филиал университета. Он работал над новой теорией рассеяния света в мутной среде. Этот принцип сейчас применяется в различных разделах математической физики.
В 1943 году была создана Академия наук Армянской ССР, президентом которой стал И. А. Орбели, а вице-президентом В. А. Амбарцумян. В 1944 году он основал кафедру астрофизики в Ереванском университете. В 1946 году в городе Бюракан (Армения) была основана астрофизическая обсерватория, в которой Амбарцумян стал директором и руководил ей более 40 лет. В 1947 году он был избран президентом Академии наук Армянской ССР и переизбирался бессменно до 1993 года. А в 1993 году стал почетным президентом Национальной академии наук Республики Армения.
В 1968 году за большие заслуги в развитии астрономической науки и в связи с шестидесятилетием со дня рождения В. А. Амбарцумян получил звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот».
В сентябре 1978 года за выдающиеся заслуги в развитии советской науки и в связи с семидесятилетием со дня рождения ученый был награжден орденом Ленина и второй золотой медалью «Серп и Молот».
В 1994 году за создание научных ценностей мирового значения, исключительные заслуги в области организации науки, общественную деятельность на благо нации Виктору Амазасповичу Амбарцумяну было присвоено звание Национального героя Армении с вручением ордена государства (№ 2).
Последние годы жил в Ереване. Скончался 12 августа 1996 года.
Его исследования по статистике и динамике звездных систем привели к созданию основ статистической механики звездных систем. Работы Амбарцумяна ознаменовались открытием звездных систем нового типа, получивших название «звездных ассоциаций». Дальнейшие исследования показали, что в Галактике процессы звездообразования продолжаются и сейчас и имеют групповой характер.
На основе изучения звездных ассоциаций ученый разработал новую гипотезу о дозвездной материи, согласно которой первоначально существовали протозвезды неизвестной природы, в результате распада которых формировались звезды в ассоциациях.
Большая серия исследований В. А. Амбарцумяна посвящена вопросам эволюции галактик, в частности, их ядер, которые играют решающую роль в возникновении и эволюции галактик и их систем.
Кроме того, ученый преподавал. Он стал автором первого в СССР учебника «Теоретическая астрофизика» (1939) и соавтором курса «Теоретическая астрофизика» (1952), переведенного на многие языки. В. А. Амбарцумян создал научные школы в Ленинграде и Бюракане, которые повлияли на развитие многих разделов астрономии.
Он был членом Президиума Аакадемии наук СССР, вице-президентом (1948–1955) и президентом (1958–1961) Астрономического союза, а затем дважды избирался президентом Международного совета научных союзов (1966–1972). Был почетным и иностранным членом академий наук и научных обществ многих стран мира.
Награжден пятью орденами Ленина (1945, 1958, 1968, 1974, 1978), орденом Октябрьской Революции (1983), двумя орденами Трудового Красного Знамени (1944, 1953), орденом «Знак Почета» (1988), орденом Почета (1988), медалями, а также орденами и медалями иностранных государств.
Доктором физико-математических наук он стал по совокупности работ в 1935 году без защиты диссертации, с 1934 года профессор, заслуженный деятель науки Армянской ССР (1940) и Грузинской ССР (1968). Лауреат Сталинской премии (в 1946 году за создание теории рассеяния света в мутной среде; в 1950 году за открытие и изучение нового типа звездных систем), Государственной премии РФ (в 1996 году за цикл работ «Построение динамики звездных систем»). Награжден Большой золотой медалью имени М. В. Ломоносова АН СССР (1971).
Именем В. А. Амбарцумяна была названа малая планета (1905 Ambartsumyan), открытая в 1972 году Крымской астрофизической обсерваторией. День рождения ученого – 18 сентября – объявлен правительством Армении Днем астрономии. Именем В. А. Амбарцумяна названа Бюраканская астрофизическая обсерватория.
В 2010 году основана Международная научная премия имени В. А. Амбарцумяна. Она присуждается за выдающуюся научную работу в астрофизике, а также в примыкающих к ней сферах физики и математики, независимо от гражданства ученого. Премия присуждается один раз в два года. Лауреата выбирает Международная комиссия, которую возглавляет Президент Национальной академии наук Республики Армения, в комиссию входят 9 видных ученых-астрофизиков из России, Армении, Великобритании, Германии, США, Франции. Вручение награды происходит 18 сентября – в день рождения Амбарцумяна.