В 1938 году С поступил на физический факультет Московского университета.

В 1941 году эвакуирован в Ашхабад.
В 1942 году закончил университет с отличием.

В 1942 году был распределён в распоряжение Наркома вооружений, откуда был направлен на патронный завод в г. Ульяновск.
В том же году сделал изобретение по контролю бронебойных сердечников и внёс ряд других предложений.

С 1943 по 1944 год сделал самостоятельно несколько научных работ и послал их в Физический институт им. Лебедева руководителю теоретического отдела Тамму.
В начале 1945 года был вызван туда для сдачи аспирантских экзаменов, после сдачи был зачислен в аспирантуру института.

В 1947 году защитил кандидатскую диссертацию.

В 1948 году был зачислен в специальную группу и до 1968 года работал в области разработки термоядерного оружия, участвовал в проектировании и разработке первой советской водородной бомбы по схеме, названной «слойка Сахарова».
Одновременно Сахаров вместе с И. Таммом в 1950–51 гг. проводил пионерские работы по управляемой термоядерной реакции.