Wraz ze swoimi uczniami wniósł znaczny wkład w kardiologię, m.in. badaniu miażdżycy jako częstej przyczynie zawałów. Doszedł do wniosku, że konieczne jest natychmiastowe hospitalizowanie pacjentów z zawałem mięśnia sercowego zamiast 10 dni po wystąpieniu choroby (zgodnie z ówcześnie obowiązującymi instrukcjami), ponieważ pacjenci często umierają z powodu szoku i zapaści oraz groźnych powikłań, którym można zapobiec tylko w szpitalnych warunkach stacjonarnych.
Jako lekarz leczący m.in. Stalina oraz Andrieja Żdanowa i główny oskarżony w sprawie tzw. spisku lekarzy kremlowskich, 4 listopada 1952 został aresztowany przez MGB pod zarzutem spowodowania śmierci Żdanowa, szpiegowanie dla amerykańskiego wywiadu i innych przestępstw i poddany brutalnym przesłuchaniom. Wkrótce po śmierci Stalina (5 marca 1953) sprawa została umorzona z powodu jej sfałszowania, a Winogradow zwolniony 3 kwietnia 1953. Powrócił do aktywnej pracy naukowej. W 1961 z jego inicjatywy otwarto pierwszy w Moskwie oddział zawałowy (kardiologiczny). Został pochowany na Cmentarzu Nowodziewiczym.