В предвоенные годы Л. М. Поляков стал руководителем архитектурной мастерской Моссовета, в которой разрабатывались проекты жилых и общественных зданий. В 1941—1943 гг. он находился на оборонных заводах Южного Урала, где занимался проектно-строительными работами. По возвращении в Москву работал в Академии архитектуры СССР, а с 1944 г. руководил Государственной архитектурной мастерской Комитета по делам архитектуры при Совете Народных Комиссаров СССР. Л. М. Поляков отдал много сил восстановлению Севастополя: его генеральному плану, застройке проспекта Нахимова — одной из ведущих магистралей и других районов города-героя. В 1948—1950 гг. Поляков занимал пост главного архитектора и члена коллегии Управления по восстановлению Севастополя при Совете Министров СССР.
Одновременно Л. М. Поляков продолжал проектировать для Москвы. В 1949 г. по его проекту была построена станция метрополитена «Калужская» (ныне «Октябрьская» Кольцевой линии, открыта 1 января 1950 г.), в 1952 г.— «Арбатская» Арбатско-Покровской линии (открыта 5 апреля).
В повседневном общении Л. М. Поляков раскрывался далеко не перед всеми: его доверие надо было завоевать. Предельно собранный, аккуратный, деловитый, он за доской работал быстро и виртуозно. Объяснялось это тем, что он видел будущий чертеж со всеми подробностями. Рассказывают, что, начав чертеж с верхнего левого угла, он скоро заканчивал его в нижнем правом углу. Графика его была безупречна.
Выстроенные вскоре после войны станции метро отражают новые веяния, возникшие в творчестве советских архитекторов. Пафос победы над фашизмом привел к стремлению более полно выразить патриотические настроения в архитектурном творчестве. Если прежде Л. М. Поляков использовал международные мотивы классического ордера, то теперь он обратился к отечественной архитектурной традиции: русскому классицизму начала XIX в. и к древнерусским мотивам.
Станция метро «Октябрьская» находится рядом с гостиницей «Варшава». Наземный вестибюль станции представляет собой массивную триумфальную арку с барельефными фигурами воинов — мужчины и женщины, держащих в руке фанфары. В связи с реконструкцией Октябрьской площади в настоящее время центральный фрагмент фасада станции метро оказался в глубине ниши, образованной на фасаде обступившего вход на станцию метро здания. В кассовом зале и в пятиугольном эскалаторном зале тема Славы повторяется в фигурах женщин-воинов с поднятыми кверху фанфарами и венками, изображающими оружие и боевые знамена (скульптор Г. И. Мотовилов).
В станционном зале строгие формы пилонов, облицованных светлым мрамором, подчеркнуты светильниками-кронштейнами в виде факелов из анодированного алюминия. В венках-медальонах, окруженных скульптурпым орнаментом, помещены погрудные барельефы советских воинов. Торжественный характер станции придают керамические венки кремового цвета с золотистым орнамептом, помещенные па стенах, и пол из красного гранита. Архитектурной находкой явилась декоративная композиция торцовой степы зала: сквозь арочпый проем, в котором установлена черно-золотистая решетка в виде ворот, виднеется подсвеченное скрытым источником света изображение синего неба, помещенное в неглубокой нише. Архитектор, преодолевая ощущение подземности транспортного сооружения, создал иллюзию раскрытия пространства зала в природу. Этот прием он повторил через несколько лет в оформлении станции Ленинградского метрополитена «Пушкинская».
Станция «Арбатская» построена по проекту Л. М. Полякова и В. В. Пелевина. Архитектура этой станции навеяна древнерусскими декоративными мотивами. Белый фасад наземного павильона, который вследствие реконструкции после строительства крупного административного здания на Арбатской площади теперь не виден посетителям (вход на станцию устроен с проспекта Калинина), был украшен гирляндами цветов над входными арками. Изящны декоративные решетки в вестибюле, рисунок которых скопирован с решеток Московского Кремля. Основная архитектурная тема станционного зала — параболическая аркада, уходящая далеко в перспективу (станция «Арбатская» — одна из самых протяженных в Московском метрополитене). Живописные картуши и детали барочной формы, орнаменты и гирлянды цветов и фруктов, металлические детали, люстры, в которые вкомпонованы декоративные вазы с цветами, светильники-кронштейны, украшающие подземный зал, создают романтический, живой образ этой нарядной станции. Стены перрона, облицованные сверху белой керамикой и снизу черной глазурованной плиткой, подчеркивают благородство и чистоту архитектурной формы.