Этот важный этап жизненного пути И. К. Кикоина характеризуется его активным творческим участием в атомном проекте СССР, в развитие которого он внес очень весомый вклад.
Вспомним некоторые факты. Второго мая 1945 г. по поручению правительства СССР “команда” военных и физиков, куда входили И. К. Кикоин и Ю. Б. Харитон, вылетела в Германию. Им было поручено отыскать немецких специалистов, занимавшихся атомной проблемой, и запасы урана. Объехав многие города освобожденной советскими войсками части Германии, группа справилась со своим заданием. В СССР было отправлено около 100 тонн окиси урана, что позволило примерно на год ускорить получение плутония. Кроме того, в нашу страну для работы по урановой проблеме прибыли известные немецкие физики Г. Герц, М. Арденне и П. Тиссен.
В 1950 г. на Южном Урале заработал завод, который по технологии, основанной на диффузии газа через пористые фильтры, начал производить обогащенный уран проектных кондиций. Коллективом под руководством И. К. Кикоина эта сложнейшая проблема была решена за пять лет (в США считали, что для овладения этим методом нашей промышленности понадобится не менее 20 лет). Исаак Константинович смело брал на себя огромную ответственность, принимая новаторские, нетрадиционные и в то же зремя глубоко продуманные идеи, мог отстоять их и воодушевить людей на напряженный труд. Сам он работал без выходных по 15-16 часов в сутки, подавая пример своему коллективу.
По итогам этой работы И. К. Кикоин в 1951 г. был удостоен звания Героя Социалистического Труда. В этом же году ему была присуждена третья Сталинская премия (вторично этой награды он был удостоен в 1949 г.).
Еще одной проблемой, которую И. В. Курчатов поручил решить И. К. Кикоину, была проблема дистанционной регистрации атомных и водородных взрывов. В 50-х годах очень быстро были разработаны и внедрены аппаратура и приборы для обнаружения и регистрации радиоактивных продуктов взрыва, инфразвуковых колебаний в атмосфере, сигналов электромагнитного излучения и сейсмических сигналов при ядерном взрыве. Проведенная работа имела большое значение при заключении Договора о прекращении испытаний в трех средах (1963).
За решение задач этого направления И. К. Кикоин получил еще две премии - Сталинскую (1953) и Ленинскую (1959).
В начале 60-х годов в промышленности был внедрен разработанный под научным руководством И. К. Кикоина новый метод разделения изотопов урана - центробежный, имеющий существенное преимущество перед диффузионным вследствие более высокого термодиффузионного коэффициента действия. Энергоемкость новой технологии была в десятки раз ниже прежней. За рубежом освоение этого метода было начато на десять лет позже, чем в СССР. Как потом охарактеризовал это достижение Ю. Б. Харитон, при решении задачи разделения изотопов урана произошел тот достаточно редкий случай, когда проблема была решена не на уровне мировых стандартов, а много выше этого уровня.
Успех исследователя и инженера в 1967 г. был увенчан Государственной премией.
Достижения И. К. Кикоина в области фундаментальных исследований в этот период также впечатляют.
В 1956—1965 гг. им проведены широкие исследования фотомагнитного эффекта в монокристаллах германия и кремния, открыта анизотропия этого эффекта; в 1964-м - обнаружен фотопьезоэлектрический эффект, продолжены исследования гальваномагнитных явлений в ферромагнетиках. В 1966 г. И. К. Кикоин впервые в мире наблюдал квантовые осцилляции фотомагнитного эффекта при низких температурах. Немного позже открыл аномально большой эффект Холла в сплаве хром-теллур. Им также обнаружены новые эффекты при воздействии ионизации на свойства полупроводников - так называемые радиационные электромагнитный и пьезоэлектрический эффекты. Подводя итог работам И. К. Кикоина тех лет, можно сказать, что его вклад в развитие различных направлений современной физики, таких как магнитные явления в металлах, электропроводность в нерегулярных системах, фазовые переходы металл-диэлектрик в закритическом состоянии металлического пара, молекулярная кинетика газов, физическая химия продуктов деления ядер и ряд других, привел к новому взгляду на природу наблюдаемых явлений.
В 1980 г. за большой вклад в развитие атомной отрасли И. К. Кикоину была присуждена еще одна Государственная премия.
Считая, как и всякий большой ученый, что необходимо воспитывать научную смену, И. К. Кикоин много сил и времени уделял педагогической деятельности. Он читал курсы лекций по физике в Ленинградском политехническом институте, Московском государственном университете, Московском инженерно-физическом институте. Очень много Исааком Константиновичем сделано в области народного образования. Он написал учебник по физике для 8-го класса, редактировал другие учебники для школьников. Вместе с академиком А. Н. Колмогоровым в 1970 г. им был основан уникальный физико-математический журнал “Квант”, а в 1980-м - серия научно-популярных книг “Библиотечка Кванта” (как приложение к журналу).