Период 1921-1929 гг. был исключительно важен в научной жизни Л.А. Зильбера: он начал работать в научно-исследовательском институте высокого уровня (Микробиологическом институте в составе Государственного института народного здравоохранения им. Л. Пастера, одного из учреждений Общества Московского научного института, объединявшего исследования в области естественных наук и медицины), где ведущими научными дисциплинами были микробиология и иммунология. Изучая природу иммунных реакций в институте, Л.А. Зильбер на основе личного экспериментального опыта сделал свое первое научное открытие, заключив, что «иммунологическая специфичность представляет собой новое свойство, возникающее в результате иммунизаторного процесса; иммунный организм качественно отличается от нормального, но в этом новом свойстве есть и количественная сторона, выражающаяся в напряженности иммунитета и в размере иммунных реакций». Приведенная им формулировка по существу остается верной и спустя столько лет, несмотря на то что иммунология в целом претерпела фундаментальные изменения.

В 1930 г. Л.А. Зильбер по рекомендации Н.Ф. Гамалеи был приглашен в Баку возглавить организованный в республике Институт микробиологии и кафедру микробиологии местного медицинского института. Вскоре после приезда в Баку Л.А. Зильберу пришлось срочно выехать в Нагорный Карабах, где он руководил подавлением вспышки чумы. Эта вспышка была засекречена, о ней нигде не упоминалось, ее как бы не было в советской медицине до декабря 1966 г.: Лев Александрович оставил письменно изложенные воспоминания о поездке в Нагорный Карабах, которые после его смерти (в 1966 г.) были опубликованы.

Вернувшись из Баку в 1931 г., Л.А. Зильбер возглавил кафедру микробиологии Центрального института усовершенствования врачей, с 1931 г. по 1932 г. заведовал микробиологическим отделом Центрального государственного научного контрольного института вакцин и сывороток, после чего перешел в Московский бактериологический институт им. И.И. Мечникова в качестве заместителя директора. В период с 1931 г. по 1936 г. Лев Александрович активно занимался изучением методов совершенствования приготовления вакцин (в начале 1930-х годов вакцинное дело во всем мире базировалось в основном на убитых вакцинах). Итогом его работы стало получение и широкое использование антиденатурирующих (АД), или сахарных, вакцин. Эффективность АД-вакцин была намного выше убитых и близка к эффективности живых; кроме того АД-вакцины обладали низкой реактивностью, что позволяло перейти к двукратной иммунизации.

В январе 1936 гг. Л.А. Зильбер становится директором новой Центральной вирусной лаборатории (ЦВЛ) при Наркомздраве РСФСР. Вместе с коллегами Лев Александрович занимался изучением противовирусного иммунитета, этиологии эпидемического гриппа, биологических свойств вируса сыпного тифа и экспериментальной кори.

В 1937 г. Л.А. Зильбера выбрали руководителем первой специальной экспедиции на Дальний Восток, где свирепствовала эпидемия неизвестного инфекционного заболевания центральной нервной системы. Уже через 2 дня после непосредственной работы в очаге Лев Александрович выдвинул клещевую теорию заболевания и сосредоточил основное внимание на противоклещевой профилактике. Так, в ходе работы экспедиции было установлено существование новой, неизвестной ранее формы энцефалита (клещевого энцефалита) и выделено 29 штаммов ее возбудителя, были изучены эпидемиология заболевания и ее переносчик, а также клиника, патологическая анатомия и гистология. Однако по возращении из экспедиции директор института Музыченко отказался принимать привезенный экспедицией материал, а Л.А. Зильбера обвинили в измене родине, шпионаже и диверсионных актах. Он был приговорен к тюремному заключению до 1939 г., кроме того вплоть до 1945 г. его имя исключили как автора открытия возбудителя. Находясь в заключении, Лев Александрович часть срока отбывал в лагерях на Печоре, где в условиях тундры из ягеля получал дрожжевой препарат против пеллагры и спасал жизнь сотням заключённых, погибавших от авитаминоза.

В 1939 г. Л.А. Зильбер стал заведующим отделом вирусологии в Центральном институте эпидемиологии и микробиологии Наркомздрава СССР (в наст.вр. Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи), которым руководил до своей смерти. Однако, в 1940 г. Лев Александрович снова был арестован за отказ властям на неоднократные предложения работать над бактериологическим оружием. Вспомнив об умении Л.А. Зильбера получать спирт из ягеля, начальство направило его в химическую «шарашку», где он начал исследования рака. В результате экспериментов Л.А. Зильбер разработал концепцию возникновения раковых опухолей, вирусную теорию рака, получившую впоследствии мировую известность. Основные положения теории были следующими: опухоли имеют вирусное происхождение, но вирус выполняет лишь инициирующие функции в опухолевой прогрессии.

После освобождения в 1944 г. Лев Александрович вел в институте исследовательскую работу по нескольким направлениям: клещевые энцефалиты, проблемы общей вирусологии и иммунологии, эритрин – антибиотик животного происхождения, вирусология и иммунология рака (вирусо-генетическая теория рака). Последнее направление -главный научный интерес Л.А. Зильбера. Открытие его отделом специфических антигенов опухолей, сделанное в конце 40-х годов, к концу 60-х стало крупным направлением в мировой иммунологии и онкологии. Оно привело к созданию первого серологического маркера опухолей, что в свою очередь создало современную иммуно(серо)диагностику многих видов рака. Это же открытие положило начало научно обоснованной вакцинации против вирусных опухолей человека. Открытие раково-эмбриональных антигенов создало новое направление в мировой онкологии, эмбриологии, биологии развития, клеточной биологии.

Л.А. Зильбер, как и во многих ситуациях, обгонял свое время на десятилетия вперед и пока его современники-онкологи еще продолжали заниматься вирусами, с которыми связывают злокачественный рост клеток и тканей, он уже обсуждал следствия из этой теории и с настойчивостью и постоянством добивался создания новой дисциплины – эпидемиологии рака, считая, что неотъемлемой частью эпидемиологических обследований должны стать изучение «семейного» рака и учет экзогенных и эндогенных канцерогенных факторов. Сегодня десятки лабораторий во всем мире разрабатывают эту проблему; нет сомнений, что это необходимое звено в системе противораковых мероприятий.

Неоценимая заслуга Л.А. Зильбера -создание им ряда фундаментальных и оригинальных изданий: «Параиммунитет» (1928 г.), «Иммунитет» (1937 г.), «Эпидемические энцефалиты» (1945 г.), «Вирусная теория происхождения злокачественных опухолей» (1946 г.), «Основы иммунитета» (1948 г.), «Учение о вирусах: общая вирусология» (1956 г.) – первый отечественный учебник по этому направлению, сыгравший существенную роль в подготовке кадров вирусологов в стране и стимулировавший развитие вирусологии как самостоятельной науки, «Основы иммунологии» (1959 г.), «Вирусология и иммунология рака» (1962 г.). Посмертно была опубликована книга «Вирусо-генетическая теория возникновения опухолей» (1968 г.), законченная за день до смерти Льва Александровича.

За свою плодотворную профессиональную жизнь Л.А. Зильбер был удостоен рядом наград и премий: ордена Ленина, ордена Трудового Красного Знамени (1930 г.), Сталинской премии второй степени (1946 г.) и медали «За заслуги перед наукой и человечеством» Чехословацкой Академии наук. А, на первых выборах в Академию медицинских наук СССР Л.А. Зильбер был избран действительным членом (академиком медицины), минуя стадию члена-корреспондента (1945 г.).

Коллеги Л.А. Зильбера посмертно издали его «Избранные труды: Бактерии, вирусы, рак, иммунитет» (1971 г.), а на основе его последней монографии И.С. Ирлин и Ф.Л. Киселев написали новую книгу «Эволюция вирусо-генетической теории возникновения опухолей» (Зильбер и др., 1975 г.), приводящую вирусо-генетическую теорию к современному состоянию вопроса.

29 октября 1996 г. на здании Средней общеобразовательной школы № 1 им. Л.М. Поземского (г. Псков), бывшей Псковской мужской гимназии, где учился Л.А. Зильбер, была установлена мемориальная доска. Надпись на доске гласит: «здесь в 1903-1912 гг. учился академик медицины Лев Александрович Зильбер, выдающийся отечественный биолог».

Школа онкоиммунологов активно развивается в стиле отдела Л.А. Зильбера, в русле его ключевых идей, уже десятки лет. Третье поколение российский онкоиммунологов помнит родоначальника их науки: Льву Александровичу посвящена книга Г.И. Абелева «50 лет в иммунохимии опухолей», выпущенная в 2001 г.

На здании вакцинного корпуса Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи, где многие годы работал Л.А. Зильбер, располагается мемориальная доска. Надпись на доске гласит: «здесь с 1939 по 1966 год работал выдающийся биолог и медик, лауреат государственных премий СССР, академик медицины Лев Александрович Зильбер».

В память о Л.А. Зильбере сняты документальные фильмы: «Гении и злодеи. Лев Зильбер» (2009 г.), «Лев Зильбер. Охотник на вирусы» (2014 г.), «Обыкновенное чудо академика Зильбера» (2014 г.) и «Вирус правды. Лев Зильбер» (2020 г.).

В 2021 г. библиотеки СЗАО г. Москвы в рамках проекта #прочтирайон приглашали всех желающих прогуляться по самым интересным местам округа. В рамках бесплатной экскурсии «Где работали академики» гости могли увидеть знаменитый дом с колоннами, в котором жил академик Л.А. Зильбер. Современный адрес дома: Живописная ул., 52.

Дважды в год – в день рождения и смерти Л.А. Зильбера – его ученики встречаются у его могилы на Новодевичьем кладбище, чтобы почтить память своего учителя.