Еще до первого отъезда в Германию И.Ф. Петрова и А.С. Яковлева принял Сталин. В процессе беседы Яковлев убедил Сталина в необходимости иметь некоторый фонд наличных денег для закупки непредусмотренного заранее оборудования. Делегации на эти цели был выделен 1 млн. марок, израсходовано 500 тыс., закуплены многие образцы аэродромного оборудования, техническая литература и даже технологический процесс изготовления чертежных досок “Кульман”. Петрову Сталин дал персональное задание по определению потенциала немецкой авиапромышленности, а именно оценить количество боевых самолетов, которое может быть выпущено за день. Задание было весьма сложным: в качестве сопровождающего немецкой стороной к Петрову был приставлен полковник гестапо. Ситуация еще более осложнилась, когда был опубликован Указ Президиума СССР от 7.5.1940 г. о введении в Красной Армии звания генерала: среди фотографий первых 16 генералов была и фотография Ивана Федоровича. Немцы отреагировали мгновенно (инженер ЦАГИ вдруг оказался генерал - майором) и кроме полковника добавили в сопровождающие еще и генерала гестапо. Осмотрев 219 заводов, Петров пришел к выводу, что Германия способна производить 70 - 80 боевых самолетов в день. Первое сообщение об этом по возвращении он сделал на коллегии НКАП, представленные цифры вызвали резкое неприятие наркома Шахурина и члена ЦК Маленкова, который курировал авиапром (у нас в то время производилось 26 самолетов в день). У Ивана Федоровича, как он писал в воспоминаниях, возникло чувство, что нарком и представитель ЦК ВКП(б) своими последующими действиями пытались представить его врагом народа. Однако после доклада у Сталина, где все материалы расчетов мощности авиапромышленности были обстоятельно изучены, (помимо Петрова их подписали еще 2 члена делегации), Сталин распорядился увеличить выпуск нашей техники до такого же уровня. Испытания немецкой авиатехники показали, что по летно-техническим характеристикам наши новые образцы к войне с авиацией потенциального противника готовы, требуется лишь небольшая доработка по вооружению и оборудованию. Осенью состоялась последняя командировка в Германию - для закупки авиадвигателя ВМW-801А. Однако после перегона закупленных са-молетов ( апрель - июнь 1940 г) отношение к делегации резко изменилось - на фирму ВМW допуск был закрыт, попасть на прием к Удету больше не удалось. Вероятно, немцами отнюдь не предусматривалась оперативная доставка закупленной авиатехники. Двигатель так и не купили. За несколько недель до начала войны делегация вернулась в Союз. Авиационная группа была единственной из всей комиссии Тевосяна, которой удалось почти полностью выполнить задание. Уже после начала боевых действий, допрашивая пленных немецких пилотов, Петров узнал, что, по официальному сообщению, генерал Удет погиб при испытании самолета, а все специалисты, работавшие с делегацией из СССР, посажены в тюрьму.
К полудню 22 июня авиационные потери нашей страны составили около 1200 самолетов, из них порядка 900 - на земле. Так как на каждый самолет приходилось по 2-3 экипажа, то почти 6000 человек летного состава остались без машин. Петров, который в июле был назначен заместителем командующего и членом Военного Совета ВВС КА, формирует под Горьким из “безлошадных” летчиков новые авиачасти. При их комплектовании неожиданно возникла проблема грамотных авиаинженеров, поскольку в эксплуатационно-технических частях 90% составляли практики без специального образования. Петров выходит к Сталину с просьбой отозвать студентов 2-4 курсов технических вузов и их преподавателей со строительства оборонительных сооружений под Смоленском (там их трудилось около 1500), чтобы через 1,5-2 месяца из них можно было подготовить специалистов по новой авиатехнике. Сталин отдал такое распоряжение, которое пришло вовремя - через день после отзыва студентов на эту территорию прорвались немцы. Но не только сиюминутные потребности удовлетворялись в то тяжелое время. Большое внимание уделялось и фундаментальной подготовке авиаспециалистов. С началом войны ВВА им. Н.Е.Жуковского была эвакуирована в Свердловск. Туда отправлялись студенты 3-5 курсов механико-математических факультетов всех университетов (кроме Ленинградского, которые направлялись в Военно-воздушную инженерную академию им. А.Ф.Можайского). Из них был образован уникальный курс, который занял особое место во всей системе высшего образования -сочетание университетской и специальной технической подготовки. Выпускники 1945 г. этого спецкурса своей плодотворной работой подтвердили правильность такого сочетания, данная система стала прообразом будущего МФТИ.
С августа 1941 по весну 1942 г. И.Ф.Петров командует рядом авиагрупп смешанного состава, которые участвуют в оборонительных сражениях осени и в зимнем контрнаступлении под Москвой. Шел непрерывный поиск оптимальных структур ВВС, в результате чего в мае 1942 г. вместо смешанных авиагрупп стали формироваться воздушные армии, состоящие из однородных (истребительных, штурмовых, бомбардировочных) авиадивизий. К осени 1942 г. было создано 17 воздушных армий. В январе 1942 г. началась реорганизация эксплуатационно-технической службы ВВС в инженерно-авиационную службу (ИАС) на принципах, изложенных Петровым еще в 1939 г. В феврале 1942 г. Иван Федорович становится главным инженером ВВС, что позволяет ему эффективно работать над воплощением своих идей. Так создаются полевые авиаремонтные мастерские (ПАРМ), в том числе и специализированные, позволившие существенно ускорить ввод поврежденных машин в строй. В этих же мастерских проводилось переоборудование одноместных Ил-2 в двухместные.
В июне 1942 г. Петрова назначают начальником НИИ ГВФ. Институт буквально пришлось собирать по частям: при эвакуации многие экспериментальные установки оказались испорчены, большая часть сотрудников института была на фронте и в летных подразделениях ГВФ. На восстановление института потребовался год, и в середине 1943 г. НИИ ГВФ приступил к работе. Основными задачами института в это время была помощь в организации использования АДД (авиации дальнего действия) и обеспечение полетов в глубокий тыл немцев для снабжения партизан. Ближе к концу войны институт занялся своими прямыми обязанностями: организацией мирного использования авиации. Был разработан план создания гражданских самолетов и тактико-технических требований (ТТТ) к ним. Первым самолетом, созданным по этому плану, стал знаменитый Ил-12, построенный уже в 1945 г., затем - первый поршневой вариант Ил-18, позже по ТТТ института были созданы Як-12 и Ан-2. Был разработан план восстановления аэродромов и строительства новых, создание ремонтных баз, велась также и научная работа: исследовались антиобледенительные системы, проводились разработки по повышению взлетной мощности двигателей АИ-62, установленных на самолетах Ли-2.
В июле 1947 г. И.Ф. Петров получает новое назначение - становится начальником Летно-Исследовательского Института (ЛИИ). По словам доктора технических наук, профессора С.Н.Шишкина (начальник ЦАГИ с 1941 по 1950 гг.) это назначение состоялось потому, что предыдущий начальник ЛИИ - В.С. Молоков - был выдающимся летчиком, но оказался очень плохим руководителем. (А каким вице-президентом стал неплохой летчик А.В. Руцкой?) После войны в ЛИИ находилось лишь два недостроенных ангара и одна сильно изношенная взлетно-посадочная полоса (ВПП) длиной 1,2 км. Рядом ведущих ученых ЛИИ (И.В. Остославским, М.А. Тайцем и др.) были сформулированы перспективные задачи института, связанные с испытаниями реактивной техники. Для их успешного решения была необходима реконструкция ВПП. В 1948 г. Научно-технический совет (НТС) ЛИИ утвердил план реконструкции, который в перспективе позволял удлинить полосу до 8 км (чтобы обеспечить условие “прерванный взлет”), но требовал переноса старинного села Ново-Рождественно (куда упиралась старая ВПП), спрямления русла Москва-ре-ки, осушения 2000 га земли для колхоза, строительства новых дорог... (гримасы сталинизма - вместо того чтобы просто объявить деревню неперспективной, такие дорогостоящие сложности!). Было написано обращение к ЦК ВКП(б), которое подписали все ведущие авиаконструкторы. Правительство установило сроки реконструкции - с 1949 по конец 1952 г. и выделило средства. Началась напряженная ра-бота. После экспериментальных и теоретических исследований было установлено, что для аэродромной бетонной плиты важна не прочность на сжатие (как считали и, соответственно, строили американцы), а прочность на изгиб, при этом удалось уменьшить толщину бетонного покрытия на 10 см по сравнению с американскими ВПП, на которых использовались тяжелые машины В-29 (в ЛИИ готовились к испытаниям носителя атомного оружия Ту-4). В то время стоимость каждого сантиметра толщины бетонного покрытия, помноженная на площадь всего аэродрома, составляла 1 млн. руб. Была разработана оригинальная технология ремонта ВПП без прекращения её эксплуатации (работы велись ночью, днём проводились плановые полёты). Отработанная технология ремонта в дальнейшем широко применялась при реконструкции аэродромов. Новая ВПП, расположенная на заторфованной пойме реки, строилась с использованием опыта создания транссибирской магистрали. Песок брался из карьеров, которые позже стали местом отдыха жителей Жуковского (“гидра”), было создано много новых средств гидростроительства, затем изготовлявшихся серийно. Дома в передвигаемой деревне переносились целиком за 30 - 40 минут и устанавливались на подготовленные фундаменты. (Теперь это Новое Село - микрорайон Раменского). Реконструкция ВПП закончилась на месяц раньше правительственного срока. Первый самолёт, доведенный при начальнике ЛИИ И.Ф. Петрове, был Ту-4. Большое напряжение сил и нервов не прошли бесследно для Ивана Федоровича, в 1950 г. он серьёзно заболел и после длительного лечения был уволен в 1951 г. в отставку в звании генерал - лейтенанта.