Великая Отечественная война прервала его научную карьеру. С 1941 года он находился в действующей армии. В 1944 году после тяжелых ранений Александр Михайлович был демобилизован как инвалид войны и продолжил научную работу в ФИАНе. В 1944 – 1950 годах он выполнил важные исследования в области радиоэлектроники: развил теорию стабилизации частоты лампового генератора, впервые экспериментально установил когерентность СВЧ излучения электронов в ускорителе типа синхротрон. На основе этих работ защитил кандидатскую (1945) и докторскую (1951) диссертации.

В это же время А.М. Прохоров, возглавив группу молодых сотрудников лаборатории колебаний ФИАНа, начал заниматься новым направлением физики – радиоспектроскопией газов. Это привело его к открытию нового принципа усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанного на использовании вынужденного излучения атомов и молекул. Работы, выполненные им в 1953 – 1955 годах совместно с Н.Г. Басовым, положили начало новой области науки и техники – квантовой электронике. Предложенный ими метод получения инверсной населенности в трехуровневой схеме под воздействием внешнего источника излучения в настоящее время используется в большинстве твердотельных лазеров. 

Исследования в области электронного парамагнитного резонанса, проведенные А.М. Прохоровым в 1955 – 1960 годах, привели к созданию квантовых усилителей СВЧ-диапазона, обладающих предельно малыми шумами. Разработанные впоследствии приборы широко применяются в радиоастрономии и дальней космической связи.  В 1958 году Александр Михайлович предложил новый тип резонатора – открытый резонатор. Сейчас лазеры всех типов и диапазонов работают с такими резонаторами.

В создании мощных лазерных систем большую роль сыграла работа А.М. Прохорова, в которой он впервые установил ограничение роста мощности излучения с ростом длины активного элемента лазера.

В 1966 году А.М. Прохоровым был предложен, а затем реализован новый тип мощного газового лазера – газодинамический, в котором осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в когерентное излучение. По существу эта работа открыла путь к созданию мощных газовых лазеров.

Необычайная широта научных интересов академика А.М. Прохорова ярко проявилась в научно-исследовательской деятельности Института общей физики РАН, директором которого он был много лет. Сегодня институт – один из ведущих многопрофильных физических центров нашей страны, заслуживший мировое признание.

В течение двадцати лет академик А.М. Прохоров возглавлял Отделение общей физики и астрономии Академии, координировал работу отраслевых и академических институтов. Авторитет Александра Михайловича как ученого, руководителя и воспитателя научных кадров чрезвычайно высок. Среди его учеников несколько академиков и членов-корреспондентов РАН, десятки докторов и кандидатов наук.

Признанием выдающихся заслуг А.М. Прохорова стало присуждение ему в 1964 году Нобелевской премии по физике (совместно с Ч. Таунсом и Н.Г. Басовым). Александр Михайлович Прохоров – лауреат Ленинской и Государственных премий, дважды Герой Социалистического Труда, член многих зарубежных академий и научных обществ. Он награжден высшими орденами нашей страны, Большой золотой медалью РАН им. М.В. Ломоносова.

Труды академика А.М. Прохорова не только оказали огромное воздействие на развитие целого ряда направлений физических исследований во всем мире, но и во многом определили облик современной цивилизации, ее технических средств и возможностей.