Протягом 1941–1944 років був евакуйований до Уфи з іншими науковцями Інституту зоології, де працював у тимчасово організованому Інституті зообіології, що об'єднував науковців з трьох київських науково-дослідних установ.
З 1944 року продовжив роботу в Києві завідувачем відділу генетики Інституту зоології АН УРСР та кафедри генетики Київського університету. Однак у 1948 році, в розпал лисенківщини, після сумнозвісної сесіїВАСГНІЛ, Сергія Гершензона було звільнено з посад завідувача відділу та завідувача кафедри генетики, відділ генетики Інституту зоології було розформовано. Протягом 1948–1957 років працював старшим науковим співробітником відділу акліматизації та селекції Інституту зоології АН УРСР у складі групи М. М. Синицького, досліджував вірусні хвороби шовкопрядів. Відділ генетики Інституту зоології було відновлено у 1957 році, Сергій Михайлович повернувся на посаду його завідувача і продовжував роботу в цьому підрозділі до 1963 року.
На підставі виконаної серії дослідів з плодовою мушкою майже відразу ж після повернення з евакуації Сергій Гершензон, працюючи у відділі генетики в Інституті зоології АН УРСР, у співавторстві з Миколою Тарнавським та Пантелеймоном Ситьком, публікує свою революційну статтю про мутагенну дію тимусної ДНК на дрозофілу. Проте Нобелівську премію за це відкриття декількома роками пізніше вручають його зарубіжному колезі Герману Мюллеру (США). Окрім хімічного мутагенезу, Сергій Гершензон виявив феномен «стрибаючих генів» і зворотну транскрипцію.[5]
Набагато раніше за американця Хейнца Френкель-Конрата він зібрав з білків і нуклеїнових кислот живий вірус, хоча рівень технічного забезпечення української біології відставав на той момент від заокеанського на багато років. Проте Стокгольм не помічав досягнень радянських учених, через гоніння на генетику у СРСР у сорокові-п'ятидесяті роки. У 1972 р. до Нобелівського комітету надходить заявка на аналогічне гершензонівському (мається на увазі синтез вірусної ДНК на матриці зараженої поліедрозом РНК) відкриття від американців Говарда Теміна і Девіда Балтімора, які і отримують у 1975 р. Нобелівську премію. Девід Балтімор в листі Сергію Гершензону щиро вибачився перед ним, оскільки не був знайомий з його більш ранніми роботами.
Основні праці виконано у галузі популяційної та молекулярної генетики. Науковець досліджував механізми спадкової мінливості у природних популяціях.
