Спустя год Зворыкин снова едет в Россию. В доме его сестры Анны собирается семейный совет, в котором принимают участие самые близкие родственники Владимира Козьмича. Вопрос один: как семья относится к его намерению вернуться на родину. Сестры, безусловно, были бы рады его возвращению, но муж Анны, одногодок Зворыкина, профессор Ленинградского горного института Дмитрий Васильевич Наливкин не одобрил решения шурина.
Он предупредил родственника, что хорошее отношение и почести в СССР ему обеспечивает не только его научная деятельность, но прежде всего – американский паспорт. И что будет, когда он поменяет его на советский – никто не сможет сказать. Словом, риск очень большой. Доводы его выглядели вполне убедительно. Зворыкин решил остаться жить в США. Он любил приезжать в СССР, встречаться с сестрами и племянниками, щедро осыпать их, как и положено американскому дядюшке, подарками. Жизнь очень скоро подтвердила правоту Наливкина.
В 1935 г. фирма RCA заключила крупный договор с Народным комиссариатом электропромышленности СССР, в соответствии с которым в Советский Союз 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 г. Последующее расширение репрессий в СССР удержало ученого 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 г.
Во второй половине 30-х годов Зворыкин занимается в основном проблемами электронной оптики. Работа в этой области привела к созданию прибора ночного видения, работающего в диапазоне инфракрасного излучения. В период Второй мировой войны они использовались армией США для оснащения танков и средств транспорта, а также в качестве прицелов.
Одновременно под руководством Зворыкина продолжалась работа по совершенствованию элементов аппаратуры телевидения. Разработка новой технологии изготовления мишени позволила создать значительно более чувствительную приемную трубку – супериконоскоп. В его лаборатории были созданы также ортикон, видикон, суперортикон и ряд других приборов. Начиная с 1939 г. Зворыкин вместе со своим помощником Дж. Хиллиером занимался разработкой электронных микроскопов, достигнув в короткие сроки значительных результатов.
В 1951 г. происходят изменения в личной жизни ученого. После многих лет холостяцкой жизни он вступил в брак с русской эмигранткой Е. А. Полевицкой. История их союза романтична и, как многое в его жизни, почти неправдоподобна. Знакомство произошло за двадцать лет до этого кульминационного события. Зворыкин был очарован красотой и обаянием Екатерины Андреевны, но, увы, она была замужем. В дальнейшем их пути почти не пересекались: Полевицкая растила детей и жила в семейных заботах, Владимир Козьмич мало отвлекался на то, что не связано с электроникой. Предложение руки и сердца последовало, когда Зворыкину стало известно, что Екатерина Андреевна стала вдовой. И хотя оба «молодые» перешагнули к тому времени шестидесятилетний рубеж, выглядели они, по воспоминаниям друзей и родственников, на редкость счастливой парой. В любви и согласии супруги прожили более тридцати лет (Екатерина Андреевна пережила Зворыкина на год).