Начало войны 22 июня 1941 года отодвинуло все планы. Прохоров вместе с другими аспирантами пошел записываться в народное ополчение. Еще в Ленинграде он прошел высшую вневойсковую подготовку в зенитной артиллерии и имел звание младшего лейтенанта запаса. Однако ему приказали ждать повестки из военкомата. Военкомат же вместо зенитной артиллерии направил его на курсы разведчиков.
Приближалась осень. Вражеские войска рвались к Москве. Курсы перевели сначала во Владимир, потом в Казань. Первый выпуск, в числе которого был и Александр Прохоров, в конце октября 1941 года отправили на фронт. В начале зимы Прохоров был под Тулой, в штабе армии, где около месяца обрабатывал сведения, получаемые от лиц, вышедших из окружения. Потом его перевели в 26-ю курсантскую отдельную стрелковую бригаду на должность помощника начальника штаба по разведке. В декабре 1941 года бригада была переброшена на Северо-Западный фронт. Здесь он участвовал в уничтожении окруженной Демянской группировки вражеских войск. А в марте 1942 года, во время бомбежки, был тяжело ранен.
После лечения, несмотря на покалеченную руку, А.М. Прохоров был направлен в распоряжение штаба Западного фронта, а оттуда - временно в Западный штаб партизанского движения. Осенью он был переведен в 94-й гвардейский стрелковый полк 30-й стрелковой дивизии Северо-Западного фронта на должность помощника начальника штаба полка по разведке.
На участке фронта, куда прибыл Прохоров, наступления гитлеровцев не предполагалось. Однако противник все время предпринимал огневые налеты на позиции советских войск. Обстрел был постоянным. Александр Прохоров не раз отправлялся в составе разведывательной группы в ночные рейды по тылам гитлеровцев. В одной из таких разведок боем 18 февраля 1943 года его группу накрыл сильный минометный огонь. А. М. Прохоров был ранен осколком, на этот раз в левое бедро. Ему "повезло", как говорили врачи, - нерв и кость остались целыми, ногу удалось сохранить. Ранение оказалось тяжелым. Последовали госпитали - Волоколамский, потом Московский, и операции - одна за другой...
В 1944 году, когда уже ощутимо веяло победой и все чаще вспыхивали салюты в честь освобожденния городов, медицинская комиссия признала Прохорова негодным к строевой службе, и в феврале он был демобилизован. Мужество, проявленное лейтенантом Прохоровым на фронте, было отмечено самой почетной солдатской медалью - "За отвагу".
В феврале 1944 года сразу же после демобилизации с приподнятым настроением Александр Михайлович помчался в Физический институт имени Лебедева, откуда аспирантом ушел на фронт. Там его встретили чуть ли не как пришельца с того света. Никто еще не вернулся в ФИАН с фронта. Пришло только несколько сообщений о гибели фиановцев, а остальные фронтовики вернулись позже.
Лабораторией колебаний по-прежнему руководил Н.Д. Папалекси.
В.В. Мигулин там уже не работал. Руководителем Прохорова стал доктор наук (впоследствии ставший членом-корреспондентом Академии наук) Сергей Михайлович Рытов. В лаборатории Александр Михайлович Прохоров почувствовал себя как рыба в воде, активно включившись в важные по тому времени исследования.
Одним из наиболее плодотворных научных направлений в то время было исследование нелинейных колебаний. Начались теоретические расчеты по теме "Стабилизация частоты лампового генератора в теории малого параметра". Обращение к задаче о стабилизации частоты не было случайным, так как диктовалось совершенно определенным "социальным заказом" того времени: радиолокация, радиосвязь и телевидение требовали все более и более стабильных по частоте генераторов. Достигнутый ранее очень высокий научный уровень работ по колебаниям позволил быстро добиться выдающихся результатов и в другой области, а именно, в изучении движения частиц в синхротроне. Были теоретически изучены процессы взаимодействия радиальных и фазовых колебаний в синхротроне, а затем поставлена и успешно выполнена задача по наблюдению и исследованию когерентного синхротронного излучения.
В области этих новых направлений активно работал А.М. Прохоров. Ежедневно в девятом часу утра он уходил из дома и возвращался всегда улыбающийся, радостный, в восемь часов вечера. Работал с подъемом и плодотворно. Эти работы легли в основу его кандидатской диссертации, которую он успешно защитил в 1946 году. Попутно он сдал последний аспирантский экзамен по спецпредмету, язык и философия были сданы до фронта.
С 1948 года Александр Михайлович впервые в нашей стране занялся исследованиями в совершенно новом направлении - радиоспектроскопии. Основными целями этой работы были, во-первых, точное определение структуры молекул и, во-вторых, использование исключительно стабильных и узких линий поглощения различных веществ для целей стабилизации частоты в радиодиапазоне.
Исследования в области радиоспектроскопии шли параллельно с работами по физике ускорителей. Исследованием ускорителей Александр Михайлович начал заниматься сразу после защиты кандидатской диссертации. Его научный руководитель, тогда член-корреспондент, а затем академик Владимир Иосифович Векслер поручил Прохорову экспериментальную проверку идеи о возможности использования ускорителя типа синхротрона для генерации сантиметровых и миллиметровых волн. Иными словами, речь шла об изучении когерентного излучения в синхротроне.
Для этого Александру Михайловичу был передан бетатрон - первый бетатрон, построенный в Советском Союзе доктором наук (впоследствии ставшим академиком) Павлом Алексеевичем Черенковым.
Вначале этот ускоритель электронов был опробован в различных режимах. В дальнейшем А.М. Прохоров совместно с сотрудниками перевел бетатрон в режим синхротронного ускорения для изучения синхротронного излучения в области сантиметровых радиоволн. Затем им была проведена большая серия сложных и тонких экспериментов по изучению когерентных свойств магнито-тормозного излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле в синхротроне - синхротронного излучения. Синхротронное излучение обусловлено ускорением частиц при искривлении их траектории в магнитном поле и зависит от неоднородности распределения электронов по круговой орбите.
В результате проведенных исследований Александр Михайлович доказал, что синхротронное излучение может быть использовано в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн, определил основные характеристики источника, уровень мощности и предложил метод определения размеров электронных сгустков.
По общему признанию, эта классическая работа открыла целое направление исследований, которое весьма плодотворно развивается и до настоящего времени. Сегодня потери на синхронное излучение и связанные с ним эффекты в движении частиц учитываются при конструировании циклических ускорителей электронов высоких энергий. Синхронное излучение циклических ускорителей с длинами волн от мягкого рентгеновского до ультрафиолетового используется в рентгеноструктурном анализе, для рентгеновской и УФ-литографии и в ряде других областей науки и техники.
В январе 1948 года работа небольшого коллектива лаборатории была отмечена президиумом Академии наук СССР присуждением премии имени Л. И. Мандельштама. Премию получили: доктор физико-математических наук Сергей Михайлович Рытов, кандидат физико-математических наук Александр Михайлович Прохоров, кандидат физико-математических наук Марк Ефремович Жаботинский за работы: "К теории стабилизации частоты ламповых генераторов", "Об одном расширении области применения метода малого параметра", "Об одном специальном случае систем с двумя степенями свободы", "Стабилизация частоты в теории малого параметра" и "О теории стабилизации частоты". Диплом премии был подписан президентом Академии наук СССР академиком Сергеем Ивановичем Вавиловым и секретарем Академии наук СССР академиком Бруевичем.
Уже в эти годы в полной мере проявился творческий почерк А.М. Прохорова как ученого и организатора - постоянный поиск, безошибочное определение наиболее актуальных областей исследований, широкое использование самых последних достижений экспериментальных методик и теоретической мысли, в том числе и в смежных областях, и в результате - быстрое продвижение в решении самых ключевых вопросов фундаментальных исследований. Заняв передовые позиции в радиоспектроскопии, лаборатория обеспечила себе фронт работ по получению актуальной информации, столь необходимой физикам, химикам и в ряде других областей. Но здесь снова ярко проявился характер Александра Михайловича как ученого.
Не ограничиваясь получением чисто научных результатов, он ищет области практических приложений новых фундаментальных знаний. Наряду с внедрением радиоспектроскопии как метода спектрального анализа вещества в различные области науки он обращается к задаче использования узких резонансных линий спектров поглощения молекул для стабилизации частоты источников излучения СВЧ-диапазона, т.е. к задаче создания на новой основе высокоточных стандартов частоты и времени.
Именно при решении этой трудной прикладной задачи впоследствии и будут сформулированы главные принципы и заложены физические основы квантовой электроники.
12 ноября 1951 года Александр Михайлович Прохоров защитил докторскую диссертацию. Тема диссертации была связана с изучением когерентного излучения синхротрона в области сантиметровых радиоволн. Наиболее существенное в ней - метод определения размеров в сгустках электронов. Но еще до ее защиты Прохоров начал работать ассистентом на физико-техническом факультете (физтех на Долгопрудной). Из-за подвижности, живости, простоты Александра Михайловича часто принимали за студента. Физтеховцы же его любили и тянулись к нему. Многие из них защитили дипломы в лаборатории колебаний у Прохорова и, будучи способными ребятами, увлеченными наукой, там же оставались работать. Так что лаборатория росла, размах работ увеличивался, энтузиазм - тоже. Дипломниками Александра Михайловича начиная с 1951 года были: Н.Г. Басов, А.И. Барчуков, В.Г. Веселаго, Б.Д. Осипов, П.П. Пашинин, В.К. Конюхов, В.Б. Федоров, В.М. Марченко. Физтеховцы проникали и в другие секторы лаборатории, но некоторые из них впоследствии переходили к Александру Михайловичу. Это Ф.В. Бункин и Н.В. Карлов. Несколько позже у Прохорова появились новые дипломники, окончившие разные учебные заведения: Т.М. Мурина, Г.П. Шипуло. Пришли молодые специалисты: А.А. Маненков, Л.А. Кулевский, химик Г.Я. Взенкова, позже - Зуева. Все они с прибывшими еще позже успешно работают в лаборатории по сей день, став известными учеными.