После возвращения в Штаты Зворыкин встретился с Дэвидом Сарновым, чтобы обсудить переговоры, проведенные с советскими официальными лицами, и их интерес к покупке телевизионного оборудования для станции в Москве. Формальные связи были налажены через посольство, и двумя годами позже специальная комиссия из СССР приехала в США, чтобы проверить и забрать оборудование, сделанное для них в RCA. Спустя год Зворыкин снова едет в Россию. Ему снова предлагают остаться на родине. Он в размышлениях. И в доме его сестры Анны в Москве собирается семейный совет, в котором принимают участие самые близкие родственники Владимира Козьмича. Вопрос один: как семья относится к его намерению вернуться на родину. На глазах сестер появились радостные слезы. Но вот заговорил муж Анны, одногодок Зворыкина, профессор Ленинградского горного института Дмитрий Васильевич Наливкин. Шурина он знал уже больше двадцати лет, поэтому свои доводы излагал без церемоний:
«Да, Владимир, принимают тебя в СССР с большим почетом. Ты представляешь собой ценность как ученый, обходиться с тобой нужно деликатно, поскольку в твоем кармане лежит американский паспорт. Представим теперь, что ты поменял этот паспорт на „краснокожую паспортину“. Для кого-то ты будешь уважаемым человеком, сумевшим изобрести нечто очень важное. Для многих же других ты останешься, во-первых, сыном купца первой гильдии, во-вторых, бывшим белым офицером, в-третьих, в недавнем прошлом американским гражданином, имевшим тесные связи с миром буржуазии. При неблагоприятном стечении обстоятельств даже одного из этих пунктов будет достаточно, чтобы ты оказался далеко от обещанных тебе лабораторий и квартиры. Вспомни процесс Промпартии и поверь мне, дело этим процессом не ограничится. Риск очень большой, я лично считаю твое желание вернуться в Россию неразумным».
Мнение близких родственников, знающих ситуацию в стране не понаслышке, а изнутри, умеющих отделить фасад сталинской системы от реальной жизни в стране, убедило Владимира Козьмича не совершать опрометчивых поступков. Да и последующее разрастание репрессий в СССР вызвало в памяти события революции и Гражданской войны, в которых он принимал непосредственное участие и чудом остался жив. Ученый решил воздержаться от поездок на родину даже по служебным делам. Начавшаяся вскоре Вторая мировая война и некоторые другие события привели к тому, что вновь побывать на родине он смог только через двадцать с лишним лет, в 1959 году.
В 1935 году фирма RCA заключила крупный договор с Народным комиссариатом электропромышленности СССР, в соответствии с которым поставлялись технологическая документация и материалы, оборудование для производства электровакуумных приборов, аппаратура для оснащения первого советского центра электронного телевидения и т. д. Вопросы, связанные с реализацией договора, Зворыкин обсуждал в последний раз в Ленинграде и Москве в 1936 году.
В 1938-м, благодаря усилиям советских и американских специалистов, в том числе и Зворыкина, в Москве запущена первая телестанция, а также налажен серийный выпуск телевизоров «ТК-1» с кинескопом его конструкции. На первых порах пользоваться этим телевизором было нелегко. Для качественной настройки приходилось регулировать 14 ручек, что требовало определенных навыков и технических знаний. Поэтому первые телевизоры обслуживались работниками телецентров.
Во второй половине 30-х годов Зворыкин занимается в основном проблемами электронной оптики, проводя исследования и разработки совместно с И. Ленгмюром, Дж. Мортоном, Л. Мальтером и другими известными специалистами. Работа в области электронно-оптических преобразователей привела к созданию прибора ночного видения, работающего в диапазоне инфракрасного излучения. В период Второй мировой войны приборы ночного видения конструкции Зворыкина использовались армией США для оснащения танков и военного транспорта, а также в качестве прицелов. Помимо приборов ночного видения в его лаборатории создаются телевизионные бортовые устройства для наведения на цель бомб и ракет, приборы для систем радиолокации и др.
В лаборатории Зворыкина были созданы также ортикон, видикон, суперортикон и ряд других приборов. Начиная с 1939 года Зворыкин вместе со своим помощником Дж. Хиллиером занимался разработкой электронных микроскопов, достигнув в короткие сроки значительных результатов. Еще в 1939 году у Зворыкина появилась идея усовершенствования оптического микроскопа. Он решил заменить обычный свет потоками электронов. После войны группа исследователей под его руководством создала промышленный образец электронного микроскопа, который давал увеличение в миллионы раз. На основе этой конструкции в 1981 году был создан сканирующий микроскоп, который позволил увеличивать предметы с сохранением их объемного образа. Благодаря этим приборам ученые смогли определить структуру вируса и создать средства борьбы с некоторыми опаснейшими заболеваниями.