По рекомендации С. С. Брюхоненко – автора первого аппарата искусственного кровообращения, автожектора, – для продолжения обучения Демихов перевелся в МГУ. В Москве выдающийся физиолог X. С. Коштоянц, в лаборатории которого работает будущий ученый, прочит молодому человеку большое будущее. По окончании университета в 1940 году Демихов написал свою первую научную работу: он разработал методики трансплантации сердца и легких и уже заимел опыт пересадки сердца в паховую область. Но все планы разом перечеркнула война, и будущий светила отправился на фронт.

Поскольку по образованию Владимир Петрович не был врачом, работать военным хирургом ему не дозволили. Тогда он окончил подготовительные курсы и стал патологоанатомом. В этом качестве Демихов прошел всю войну, закончив ее в Маньчжурии в звании старшего лейтенанта медицинской службы и исполняющего обязанности главного патологоанатома 11-й Гвардейской армии.

В годы Великой Отечественной впервые пересеклись пути двух выдающихся хирургов: Демихова и будущего министра здравоохранения – академика Б. В. Петровского. Молодого и амбициозного Петровского болезненно задевали постоянные комментарии «непрофессионала» по медицинским вопросам, и в будущем неприязнь министра сыграет злую роль в судьбе Демихова.

Когда отгремели последние залпы Великой Отечественной, Владимир Петрович получил возможность вернуться в Москву – о предоставлении ему должности ассистента кафедры патофизиологии в Пушномеховом институте в Балашихе похлопотал академик Коштоянц. Там Демихов приступил к опытам по пересадке сердца на животных. В 1946 ему удается пересадить в грудную полость собаке дополнительное сердце, после чего она проживет целых два часа. Ввиду анатомических особенностей замена сердца на донорское оказалась очень рискованной затеей: необходимо сшить большое количество сосудов, а сделать это за короткое время, пока не наступила смерть мозга, без аппаратной поддержки чрезвычайно сложно. Потому через несколько месяцев Демихов решается заменить весь сердечно-легочный комплекс на донорский, благо количество сшиваемых сосудов позволяет уложиться в требуемое время – прооперированное животное прожило шесть суток.

Узнав о талантливом ученом, знаменитый хирург А. В. Вишневский в июне 1947 года пригласил Демихова на должность научного сотрудника в свой институт. Это стало большой удачей: Александр Васильевич, как ярый сторонник экспериментальной медицины, мгновенно загорался новыми и интересными научными идеями. Кроме того, авторитет Вишневского вкупе с его крутым нравом был надежным щитом от нападок недоброжелателей. А их у Демихова, к сожалению, хватало с лихвой. В Минздраве разразилась форменная истерика, когда там узнали, что Вишневский предоставил Демихову возможность проводить опыты по пересадке органов на животных. Большие начальники потрясали кулаками, требовали закрыть маленькую лабораторию, занимающуюся «антинаучными и аморальными опытами», и грозили самому экспериментатору уголовным преследованием. Великий Вишневский отбивал постоянные атаки кабинетных медиков, грозившие молодому ученому непоправимыми бедами.

В 1948 году сам Александр Васильевич участвует в эксперименте: он и Демихов осуществляют у собаки пересадку почки на заднюю брыжеечную артерию. Однако размер кровеносного сосуда для полноценного кровоснабжения органа оказался недостаточным и эксперимент был прекращен. В том же году Демихов приступил к опытам по трансплантации печени – первым в истории медицины.

В 1948 году скончался А. В. Вишневский, добрый гений Демихова, и лаборатория по пересадке органов в Институте хирургии вскоре была закрыта. Ученый пытается продолжить исследования на базе кафедры оперативной хирургии в Первом Московском медицинском институте.

1951 год для Владимира Петровича стал временем грандиозных побед. Он создал пневматический протез сердца. Роль пневмопривода в нем выполнял обычный старенький пылесос. На выездной сессии Академии медицинских наук в Рязани Демихов провел показательную пересадку сердца и легких собаке Дамке, которая уже на второй день вполне прилично себя чувствовала, ходила, с аппетитом ела и пила воду Она прожила бы и дольше семи дней, что само по себе уже было огромным достижением, однако в ходе операции серьезно пострадала гортань, и собака, увы, умерла.

В том же 1951 году Демихов и его помощники А. Фатин и В. Горяйнов предложили способ сохранения изолированных органов в течение нескольких часов для последующей трансплантации. При поддержании постоянной температуры окружающей среды (38–39 °C) и искусственной вентиляции легких можно было часами поддерживать функционирование комплекса органов, включавшего в себя сердце, легкие, желудочно-кишечный тракт, печень и почки с сохранением их крово– и лимфообращения.

И наконец, в 1951 году ученый осуществил прорыв: провел замену сердца на донорское без аппарата искусственного кровообращения двухступенчатым методом.

В 1952 году Демихов разработал метод прямого соединения внутренней грудной артерии с коронарной, дабы улучшить кровоснабжение сердечной мышцы (маммарно-коронарный анастомоз, маммарно-коронарное шунтирование). Спустя десятилетие, в 1964 году, этот метод будет применен у человека ленинградским хирургом В. И. Колесовым, поэтому впоследствии операция получит это имя, а не Демихова. Оперированные же Владимиром Петровичем собаки жили более двух лет, а одна из них, которой анастомоз был наложен в 1953 году, дожила даже до 1960 года!

В 1954 году Владимир Петрович пересадил голову щенка с передними конечностями на тело немецкой овчарки. Цветной документальный фильм об этом, показанный широкой аудитории в 1956 году на Международной выставке СССР в США, поверг в шок и отечественных, и западных коллег: химера пила молоко и кусалась обеими головами, сохраняя при этом характер каждого животного. Опыт был поставлен не просто ради эксперимента: Демихов серьезно разрабатывал методику сохранения жизни и личности человека в экстремальном состоянии – к примеру, при несовместимых с жизнью повреждениях некоторых жизненно важных органов (помимо головного мозга) путем «подсадки» уцелевшей части организма к другому человеку Несмотря на всю кажущуюся и доселе фантастичность замысла, хирург считал подобный метод вполне осуществимым и перспективным для дальнейшей разработки.