W wyniku kolejnych eksperymentów uznał, że jedynie wszczepienie serca w klatce piersiowej pozwala mu podjąć normalną pracę w utrzymywaniu obiegu krwi.
Po wybuchu wojny niemiecko-radzieckiej został powołany do Armii Czerwonej w stopniu porucznika i służył jako patolog w szpitalu polowym. Po latach przyznał, że w tym okresie starał się zatuszować przypadki, gdy żołnierze postrzelili się, by uniknąć w ten sposób walki na froncie, gdyż taki postępek był karany rozstrzelaniem. Kapitulacja Niemiec zastała go w Berlinie, a po wypowiedzeniu wojny Japonii został przeniesiony do Harbinu w Chinach. Dopiero pod koniec roku wrócił do Moskwy.
W 1946 r. przeprowadził na psach przeszczepy serca, płuc oraz jednoczesne przeszczepy serca i płuc. Były to pierwsze udane przeszczepy doklatkowe u ssaków. Diemichow nie stosował zewnętrznego płucoserca ani hipotermii, polegając na szybkości zabiegu. Od 1947 do 1955 r. kontynuował eksperymenty w Instytucie Chirurgii w Moskwie. W latach 1950. komisja Ministerstwa Zdrowia uznała te eksperymenty za nieetyczne i nakazała ich przerwanie, jednak dyrektor Instytutu Aleksandr Wiszniewski jako naczelny chirurg sił zbrojnych mógł pozwolić sobie na zignorowanie nakazu i zapewnienie Diemichowowi warunków do dalszej pracy. 29 lipca 1953 r.