1940年以后冯·诺伊曼的研究开始倾向于应用数学。在这一时期，因战事的需要他涉足了可压缩气体运动的研究，并建立了冲击波理论和湍流理论，推动和发展了流体力学。
1942年以后，冯·诺伊曼又把数学引到了经济学上，并与美籍德裔经济学家莫根施特恩合作，出版了《博弈论和经济行为》一书，书中对他的博弈论（对策论）进行了精辟而详尽的论述，这也是数学与经济学结合的典范，他也因此被称为数理经济学的奠基人。
1944年，美国进入了“曼哈顿计划”进入的了关键环节。冯·诺伊曼也参加了原子弹的研制工作。工作中涉及到极为困难的计算让他充满了对高速度计算工具的渴望。一次偶然的机会中接触到了eniac计算机的研制计划，立刻意识到它的深远意义，从此他把研究转向了计算机演算领域。
1945年，冯·诺伊曼起草了长达101页的总结报告。在报告中，他明确提出新计算机由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备五个部分组成，并描述了这五部分的职能和相互关系。更重的是他建议采用“二进制”和“程序内存式”的计算机设计思想，这样大大简化了计算机的逻辑线路，加快了运算的进程。这一报告在计算机发展史上是一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。
实践证明冯·诺伊曼的设想是正确的，他的设计思想也一直沿用至今，只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进，因而他是当之无愧的“计算机之父”。此外，冯·诺依曼还猾参与了计算机的应用推广工作，并在计算机编制程序以及数值计算等方面都作出了杰出的贡献。
冯·诺依曼的成就在20世纪的科学界是有目共睹的，作为附属品的荣誉也不计期数，如：美国数学会的波策奖、美国总统的功勋奖章以及费米奖等等。1954年他任美国原子能委员会委员，正当他想在此领域大展身手的时候却不幸患了癌症，3年后，年仅54岁的冯·诺依曼在华盛顿去世。
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