Wzbudził skandal na uczelni wywieszając na drzwiach swojego pokoju tabliczkę z napisem „profesor Czełomiej”, nie mając jeszcze habilitacji.

14 czerwca 1944 roku został wezwany na Kreml przez Gieorgija Malenkowa, aby przyjrzeć się sprowadzonym szczątkom niemieckiego pocisku odrzutowego V-1, które w tym czasie spadały na Wielką Brytanię. Młody inżynier zdobył uznanie marszałka lotnictwa ZSRR Nowikowa, który zlecił mu jak najszybsze zaprojektowanie, zbudowanie i przetestowanie radzieckiego odpowiednika nowej nazistowskiej broni. 19 października 1944 Czełomiej został mianowany dyrektorem i głównym konstruktorem doświadczalnego biura konstrukcyjnego OKB-51 – decyzją Komitetu Obrony Narodowej ZSRR i komisarza ludowego ds. przemysłu lotniczego Aleksieja Szachurina – zastępując zmarłego Nikołaja Polikarpowa.

Do końca 1944 roku udało mu się zrekonstruować silnik V-1, a wiosną 1945 roku odbyły się pierwsze testy jego odpowiednika, pocisku 10Ch, odpalanego z samolotów Pe-2 w Kazachstanie. Znaczącym jest, że prace Czełomieja i jego współpracowników, w odróżnieniu od prac Korolowa czy Głuszki, odbywały się bez pomocy niemieckich naukowców i inżynierów przechwyconych podczas zajmowania terenów III Rzeszy.