В 1935 г. С. А. Христианович переехал в Москву и поступил в докторантуру Математического института им. В. А. Стеклова АН СССР, которую закончил в 1938 г., защитив сразу две докторские диссертации - по физико-математическим и техническим наукам. В январе 1939 г. был избран членом-корреспондентом АН СССР по отделению технических наук. И в этом же году с группой сотрудников Математического института перешел на работу в Институт механики АН СССР, где в 1939-1940 гг. занимался теоретическими проблемами фильтрации и проблемами медленного просачивания жидкости сквозь пористую среду. В Институте механики С. А. Христианович занимал должность заместителя директора. В начале 1940 г. он переходит в Центральный аэродинамический институт им. Н. Е. Жуковского на должность заведующего лабораторией аэродинамики больших скоростей.
Работы С. А. Христиановича накануне и в период войны были посвящены проблемам аэродинамики. Основная цель теоретических и экспериментальных исследований - увеличение скорости полета самолета. Уже в начале войны скорость наших самолетов так возросла, что для правильного выбора их аэродинамических форм необходимо было решать задачи, связанные с учетом сжимаемости воздуха, которую при меньших скоростях полета можно было не принимать во внимание. В 1942 г. ему была присуждена Сталинская премия.
В 1943 г. С. А. Христианович был избран академиком. В справке Наркомата государственной безопасности СССР, подготовленной в июле 1945 г. о научной и общественной деятельности С. А. Христиановича, было написано: академик с 1943 г., лауреат Сталинской премии, Научный руководитель отдела механики Института математики Академии наук СССР, профессор Московского авиационного института, заместитель начальника ЦАГИ, лауреат премии им. Н. Е. Жуковского. Орденоносец. Механик-аэродинамик. Известен прекрасными законченными работами в области гидравлики (речной), аэродинамики больших скоростей, теории пластичности и нефтяной механики. Общепризнанный в Союзе аэродинамик и гидродинамик. Лично ведет большие научно-исследовательские оборонные работы в ЦАГИ... “.
Участвуя в работах по атомному проекту, вместе со своими сотрудниками занимался аэродинамической отработкой различных вариантов оперения корпусов авиабомб по заданиям КБ-11 (ВНИИЭФ, г. Саров). Была осуществлена продувка сотен моделей, проведены исследования конкретных баллистических характеристик. В докладной записке Л. П. Берия, подписанной Ю. Б. Харитоном и К. И. Щёлки- ным, от 15 апреля 1949 г. было сказано, что совместно с ЦАГИ отработана баллистика изделия. Все изделия, сброшенные после отработки, дали положительные результаты.
В 1953 г. С. А. Христианович был избран на должность академи- ка-секретаря отделения технических наук АН СССР, на которой он оставался до 1956 г. Одновременно работал в Институте химической физики и Институте нефти АН СССР. Научные вопросы, которые он разрабатывал в этот период, были связаны с газодинамическими проблемами атомного взрыва, теорией гидравлического разрыва нефтеносного пласта, излучением внезапных выбросов угля и газа в угольных пластах и др.
В 1956 г. С. А. Христианович совместно с М. А. Лаврентьевым и С. А. Лебедевым обратился в правительство с предложением о создании на востоке страны научного центра. И 18 мая 1957 г. правительством было принято решение о строительстве Сибирского отделения АН СССР с научным центром под Новосибирском. С. А. Христианович стал первым заместителем председателя СО АН СССР М. А. Лаврентьева. На него было возложено руководство организацией проектирования и строительства Новосибирского научного центра, а также будущих научных центров в Красноярске, Иркутске, Улан-Удэ и Владивостоке. В Новосибирске он основал Институт теоретической и прикладной механики и возглавлял его с 1957 г. по 1965 г.
В 1965 г. С. А. Христианович возвратился в Москву, где продолжил научную деятельность в качестве научного руководителя Института физико-технических и радиотехнических измерений и члена коллегии Госкомитета по науке и технике. С 1972 г. по 1988 г. заведовал лабораторией механики нелинейных сред в Институте проблем механики АН СССР, а в последние годы был в этом институте советником при дирекции.
В течение всей своей жизни С. А. Христианович вел большую работу по подготовке кадров. Он преподавал в Московском государственном университете, Московском физико-техническом институте и Новосибирском государственном университете. Научная деятельность С. А. Христиановича высоко оценена у нас в стране и за рубежом. За выдающиеся заслуги в развитии советской науки в 1969 г. ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали “Серп и Молот”. Он награжден шестью орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, двумя орденами Отечественной войны I степени, двумя орденами Трудового Красного Знамени и многими медалями. С. А. Христиановичу трижды присуждалась Государственная премия СССР, а также премия им. Н. Е. Жуковского.