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.
Начальник ЛИИВ 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.
Ректор Московского физико-технического института