В 1943 году в Москву приезжает Синельников. Во время войны он работал в Алма-Ате, решал со своими сотрудниками, конечно, прикладные, оборонные задачи. (Здесь физика постигло большое горе — умер его маленький сын Патрик.) Сообщение о готовящемся объединении потрясло ученого. Он настаивал на том, что ситуация с приборами и кадрами поправима, что нельзя бросать уже созданный комплекс, в который входили здания, оборудование, образовательные учреждения. Здесь-то и помог Кириллу Дмитриевичу Игорь Курчатов. В то время перед советскими учеными была поставлена важнейшая задача — во что бы то ни стало, как можно быстрее создать советское атомное оружие. Для страны, которая пережила страшную войну, потеряла десятки миллионов рабочих рук, страны, города которой лежали в развалинах, осуществление такого проекта казалось нереальным. Но задача была решена, и заслуга в этом лично Курчатова исключительно велика. Академик получил фактически карт-бланш, его люди получали все в первую очередь, сам Курчатов решал вопросы на самом высоком уровне и в кратчайшие сроки, звонил министрам и партийным руководителям, поднимал среди ночи директоров заводов и институтов… Одного слова руководителя «Уранового проекта» становилось достаточно для того, чтобы были найдены и деньги, и время, и люди… Игорь Васильевич твердо решил защитить Харьковский физико-технический институт. В рамках именно этого учреждения была создана Лаборатория № 1, включенная в «Урановый проект». Сам же Курчатов возглавил Лабораторию № 2.
В 1944 году директором института был назначен Кирилл Синельников, а с 1946 года он стал, естественно, и руководителем Лаборатории № 1.
Кирилл Дмитриевич как-то сказал: «Двадцатый век создал новую профессию для ученого-физика — профессию организатора науки. Это моя профессия». Действительно, Синельников проявил себя не только как ученый, но и как хозяйственник, руководитель, педагог. В апреле 1944 года была осуществлена реэвакуация института в Харьков, восстанавливалось оборудование. Был произведен монтаж компрессов и ожижающих машин криогенной лаборатории, восстановлен высоковольтный генератор, начались измерения ядерных констант материалов, входящих в состав топлива. Синельников на одном из выступлений перед сотрудниками физико-технического института указывал на новые задачи, стоящие перед советской наукой, говорил, что время ученых-отшельников, решающих отвлеченные теоретические задачи, прошло. Теперь наука должна быть поставлена на службу государству и обществу. «Надо сделать так, — говорил директор института, — чтобы наука сделалась неотъемлемой частью нашего государства, необходимой стране, как воздух, как солнечный свет.» Кстати, свои выступления Синельников всегда произносил, не заглядывая в записи, хотя заранее и готовил тезисы. Ученые старшего поколения вспоминают его речь — то размеренную, то убыстряющуюся, то тихую, то громкую, взволнованную, эмоциональную и всегда глубоко аргументированную.
Пользуясь всемерной поддержкой своего высокопоставленного друга и тем расположением к физической науке, которую всячески демонстрировали власти, Кирилл Дмитриевич сделал очень многое для того, чтобы его подчиненные чувствовали себя привилегированными членами советского общества. Сотрудники Лаборатории № 1 получали очень неплохие зарплаты, создавалась сеть сопутствующих учреждений — санаториев, пионерлагерей для детей физиков. В пригороде Харькова Пятихатках выросли новые корпуса, был создан физический городок. Там же разместился и физико-технический факультет Харьковского государственного университета. Работа в лабораториях ХФТИ стала неотъемлемой частью учебы. Физико-технический институт стал «родителем» нескольких новых НИИ. Так, возник ФТИНТ, ИРЭ, ДонФТИ. Посодействовал Кирилл Синельников и созданию Института монокристаллов.
В 1948 году Кирилл Дмитриевич стал академиком АН УССР, в 1951 году директору ФТИ было присвоено звание заслуженного деятеля науки УССР.