С 1960-х годов Яков Зельдович много работал в области астрофизики и космологии, где достиг не меньших результатов по сравнению со своими предыдущими работами. Его исследования охватили целый ряд проблем: теорию образования черных дыр и нейтронных звезд, выделение энергии и излучение рентгеновских лучей при падении вещества на черные дыры; разработку теории эволюции «горячей» Вселенной, свойств реликтового излучения, теории образования галактик и крупномасштабной структуры Вселенной, инфляционной теории ранней Вселенной. Совместно с И.Д. Новиковым он написал монографии «Теория тяготения и эволюция звезд» и «Строение и эволюция Вселенной». Вместе с Рашидом Сюняевым Зельдович создал теорию рассеяния реликтового излучения на электронах (эффект Сюняева – Зельдовича). В 1964 году Яков Зельдович и независимо американский физик Эдвин Солпитер выдвинули предположение, что источником энергии квазаров служат аккреционные диски вокруг массивных черных дыр.

Из воспоминаний Андрея Сахарова: «Открытие деления урана изменило научную судьбу Зельдовича, как и судьбы многих ученых, на годы вперед – в более широком смысле оно изменило судьбы всех нас. Его пионерские исследования совместно с Ю.Б. Харитоном по теории взрывных и контролируемых цепных ядерных реакций деления были одновременно и последними работами, опубликованными в открытой литературе до того, как занавес секретности опустился в этой области. Они оказали огромное влияние на каждого, кто работал в этой области. С самого начала советских работ над атомной (позже термоядерной) проблемой Зельдович был в эпицентре событий. Его роль здесь была совершенно исключительной. Зельдович крайне не одобрял мою общественную деятельность, которая раздражала и даже пугала его. Однажды он сказал: «Вот такие люди, как Хокинг, по-настоящему преданы науке. Ничто не может отвлечь их». Я никак не понимал, почему он не мог прийти мне на помощь, о которой, при нашей дружбе, я считал себя вправе просить. Я знал, что всё это терзало Зельдовича. Мне это также причиняло боль. Сегодня эти события прошедших лет кажутся не более, чем пеной, унесённой потоком жизни. К сожалению, после моего возвращения из Горького я встречался с Зельдовичем лишь однажды или дважды, да и то на людях, так что едва ли можно было по-человечески поговорить с ним. Таков ещё один урок – не откладывать на завтра то, что можно сделать сегодня».

Из воспоминаний Владислава Мохова: «Интересны были взаимоотношения Якова Борисовича с А.Д. Сахаровым. Оба умели очень быстро думать, но во всем остальном это были совершенно разные люди, ярко выраженные сангвиник и холерик, «жаворонок» и «сова»; любитель резких, зачастую нецензурных выражений Яков Борисович – и сдержанный, интеллигентный Андрей Дмитриевич».

Из воспоминаний Семена Герштейна: «Спустя некоторое время ЯБ, справившись о моих занятиях, сказал: «Поскольку Вы даете уроки, я хочу попросить Вас позаниматься с моими девочками». Я стал отказываться, говоря, что это им совершенно не нужно, они и так прекрасно учатся, отличницы, и только будут стесняться, что у них появился репетитор (в те времена этого стыдились). Однако ЯБ нашел следующее возражение: «В школе не прививают экспериментальных навыков. Накупите приборов, и пусть они делают эксперименты». Мне оставалось только согласиться (некоторый опыт у меня был: в сельской школе я постарался создать подобие физпрактикума, чтобы каждый ученик мог выполнить несколько лабораторных работ). В магазинах учебных пособий удалось приобрести довольно хорошие приборы – оптическую скамью, линзы, гальванометры и т. д. Нашлась также небольшая камера Вильсона. И вот мы с Олей и Мариной начали ставить различные опыты и решать связанные с ними задачи. Бывало, опыты кончались для меня конфузом – пару раз я пережёг чувствительные электроприборы. ЯБ подшучивал надо мной; нередко сам принимал участие в опытах, и я вместе со своими ученицами с интересом слушал его комментарии об использовании рассматриваемых явлений в различных технических устройствах. Меня удивляли экспериментальные навыки ЯБ и его способность «работать руками». «Я ведь начинал как экспериментатор, – сказал он мне, – а до этого работал лаборантом» (я тогда ещё не знал, что ЯБ не имел официального высшего образования). Не знаю, принесли ли пользу ученицам мои уроки (придуманные, как я понимал, чтобы помочь мне), но меня самого они многому научили и помогли продержаться до мая 1955 г., когда Ландау удалось осуществить свой план и взять меня в аспирантуру Физпроблем».

Из воспоминаний Владимира Захарова: «Впервые я увидел Якова Борисовича «in person» зимой 1961–62 гг. в Академгородке. Зима там длинная, и более точное время вспомнить трудно. Роальд Сагдеев защищал докторскую диссертацию, и ЯБ, уже три года полный академик, был его официальным оппонентом. Защита как таковая стёрлась из памяти совершенно, но банкет я отлично запомнил благодаря ЯБ. Он вышел на середину зала, невысокий, крепкий, в круглых очках человек средних лет, бодрый и энергичный. И произнёс следующий тост:

– Были два вора, молодой и старый. Они устроили соревнование: нужно было залезть на дерево и обокрасть воронье гнездо, да так, чтобы ворониха, сидящая на яйцах, ничего не заметила. Молодой вор полез как был – в пиджаке и сапогах. Ворониха его заметила и подняла крик. Старый вор сказал: «Эх ты! Смотри как нужно!» Снял сапоги, снял пиджак, залез на дерево, украл яйца. Спустился – ни пиджака, ни сапог, ни молодого вора нет. Итак, выпьем за молодое поколение ученых!»

• В Институт химической физики Яков Зельдович первый раз попал в группе экскурсантов. Вопросы, которые он задавал, демонстрировали владение термодинамикой, молекулярной физикой и химией на уровне не ниже третьего курса университета. Удивленные сотрудники предложили экскурсанту поступить к ним работать.

• По легенде, Институт механической обработки полезных ископаемых согласился на переход лаборанта Зельдовича в Институт химической физики в обмен на вакуумный насос.

• Формально Яков Зельдович так и не получил высшего образования.

• Во время войны работы Зельдовича по описанию процессов горения были использованы при создании снарядов реактивного миномета «Катюша», а позднее – для разработки твердотопливных ракет.

• Чувство юмора, отличавшее Якова Зельдовича, стало причиной появления множества историй, обогативших научный фольклор. Например, во время дискуссии с Т. Лысенко, утверждавшим, что если мышам рубить хвосты много поколений подряд, должны начать рождаться бесхвостые мыши, Зельдович возразил: «Многие тысячелетия, сотни поколений подряд, еврейских мальчиков подвергают обрезанию. До сих пор не зарегистрировано ни одного случая, чтобы еврейский мальчик родился уже обрезанным».

• В одной из бесед Яков Зельдович высказал интересное замечание по поводу «Ревизора» Гоголя: «Я прикинул, – говорил он, – что отцы города по возрасту должны быть ветеранами Отечественной войны 1812 года. И рисковав жизнью за Родину, им не кажется теперь зазорным взять штуку сукна у купчишки, ради которого, в сущности, они рисковали жизнью. Хлестаков же по молодости в войне не участвовал и, принимая, как должное, плоды победы, не может понять элементарных для правящего класса ветеранов вещей».