В 1935 г. Сергей Алексеевич перебрался в Москву и поступил в докторантуру Математического института имени В. А. Стеклова. Уже через год им была решена задача математической теории пластичности при внешних силах, заданных на замкнутом контуре. Потом она получила огромную известность. Научным руководителем (в общем, формальным) стал его студенческий однокашник и ровесник С.Л. Соболев, уже признанный в то время учёный (в 1933 году, в возрасте 25 лет, его избрали членом-корреспондентом АН СССР). В 1938 г. после окончания докторантуры Сергей Алексеевич защитил… сразу две докторские диссертации! Одну по физико — математическим наукам, а вторую по техническим. А в январе 1939 г. (в 31 год) молодого ученого избрали членом-корреспондентом Академии наук СССР по Отделению технических наук.
После защиты, он начал работать в только что созданном Институте механики АН СССР. Перешёл туда, прихватив с собой команду специалистов-механиков из Математического института. В Институте механики Сергей Алексеевич проработал 1939 и 1940 годы. Он был молод, но уже зарекомендовал себя перспективным и талантливым учёным, поэтому и заниматься мог всем, что душе было угодно — преподаванием, консультациями в промышленных институтах, теоретическими исследованиями. В то время С. А. Христианович закончил два серьёзных труда по теории фильтрации и медленного просачивания жидкости сквозь пористую среду. В первом он определил метод при расчетах движения нефти в пласте, а во втором разработал методику расчета разработок месторождений газированной нефти.
В 1940 г. Сергей Алексеевич перешел на работу в ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского). Основной задачей ЦАГИ было развитие авиационной промышленности в стране.
В результате стараний сотрудников ЦАГИ и лично Сергея Христиановича в 1942–1943 годах советские самолёты по своему качеству и параметрам существенно превосходили немецкие.
Ещё одно важное достижение С. Христиановича и его команды (Л. Левина, И. Слезингера и Ф. Гантмахера) времён Великой Отечественной войны — сокращение разброса оперенных реактивно-вращающихся снарядов для «Катюши» в 2,5–3 раза и повышение их боковой кучности без существенных изменений конструкции и технологии.
Это был огромный вклад наших учёных в Победу. Вся команда удостоилась высоких правительственных наград, Христианович же получил орден Ленина (всего у него было шесть таких наград).
В 1938 г. группой учёных-математиков была написана статья о том, что Советскому Союзу жизненно необходимо создание Высшей Политехнической школы. Дело в том, что Математический институт Академии Наук был невелик — он включал в себя не больше десяти именитых учёных, которым как воздух была необходима молодая смена.
Сергей Алексеевич Христианович вспоминает: «Было видно, что новая техника вылезала из всех углов… Было видно, чтобы выйти из создавшегося положения, чтобы не искать ошибок в учебниках, чтобы многие потом не бегали по консультациям, решая простые вопросы (а возникали всё более сложные), нам не обойтись без подготовки кадров по-новому».
Но в связи с началом войны, идею создания высшей школы пришлось отложить. Вернулись к этому вопросу лишь в 1946 году. П.Л. Капица и С.А. Христианович подготовили соответствующие документы, которые И.В. Сталин подписал «без помарок». Однако праздновать победу было рано. После того, как П.Л. Капица в августе 1946 года приказом Совмина, подписанным Сталиным, был отстранён от должности директора Института физических проблем, Высшую физико-техническую школу… закрыли на этапе её открытия. Следом, 6 марта 1947 года вышел еще один приказ Министерства Высшего образования СССР. На этот раз министерство утвердило Совет Физико-технического факультета МГУ, где указывалось и назначение Христиановича: Христианович Сергей Алексеевич — академик, проректор университета по специальным вопросам.
К середине 50-х годов в стране накопилось немало организационных проблем развития науки. Стала очевидной необходимость развития восточных районов, освоения несметных богатств Сибири, Урала. Огромная концентрация научных сил в те годы была сосредоточена, в основном, в Москве, Ленинграде, Киеве, а в провинции ученых было недостаточно. Правительство нашей страны хорошо понимало, что без создания прочного научного фундамента и научной базы, без местных кадров невозможно развивать местную промышленность. Было решено начать с академической науки как фундамента. Вместе с академиками М. А. Лаврентьевым и С. Л. Соболевым Сергей Алексеевич предложил создать в Сибири комплексный научный центр.