В 1934 г. в связи с переездом Академии наук из Ленинграда в Москву Назаров также переезжает в этот город, верность которому сохраняет до конца жизни. Его приглашают в Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ) на должность научного сотрудника. Здесь он занимается изучением химии ацетилена и его производных. В 1940 г. он становится заведующим Лабораторией винилацетилена, впоследствии переименованной в Лабораторию тонкого органического синтеза.
Перед войной в 1941 г. Назаров защищает докторскую диссертацию «Исследования в области производных ацетилена. Синтез спиртов винилацетиленового ряда и их превращения». В этой работе он показал, что винилацетилен при конденсации с кетонами образует винилэтинилкарбинолы. Последние легко полимеризуются, проходя через стадии образования соединений различной вязкости, которые заканчиваются превращением в стеклообразное твердое вещество. Статьи, посвященные этим исследованиям, были опубликованы в 1943–1945 гг. Ученый предложил использовать винилэтинилкарбинол в качестве клеющего средства, прочно склеивающего пластические массы, металл, стекло, мрамор, фарфор. Продукт частичной полимеризации диметилвинилэтинилкарбинола известен теперь под названием карбинольного клея. Он широко применяется в оптике, электротехнической и авиационной промышленности. Его начали использовать уже в годы Великой Отечественной войны, поскольку с его помощью удавалось быстрее ремонтировать боевую технику. За разработку метода получения клеящих веществ И.Н. Назаров был удостоен Государственной премии (1942). За безупречную работу он был награжден двумя орденами Красного Знамени (1944, 1953) и орденом Красной Звезды (1945).
Выполненная Назаровым работа по изучению полимеризации винилэтинилкарбинолов позволила ему предложить простой метод получения дивинилкетонов, которые ранее были для химиков недоступны. Дальнейшие исследования в области превращений дивинилкетонов привели ученого к синтезу обезболивающего средства, широко применяющегося теперь в клинической практике под названием «промедол» в качестве заменителя морфина. В отличие от последнего он не вызывает привыкания и в 2–3 раза превосходит его по силе воздействия. Эта работа также была удостоена Государственной премии СССР (1946).
Исследования Назарова в области циклизации аллилвинилкетонов (1946) были важным вкладом в теоретическую органическую химию. Реакция циклизации аллилвинилкетонов в циклопентеноны под действием кислот ныне носит его имя.
Несмотря на то, что в 1947 г. Назаров руководил в ИОХ им. Н.Д. Зелинского довольно большим коллективом сотрудников, насчитывавшим более 50 человек, он принял предложение со стороны Московского института тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова занять кафедру органической химии. За те десять лет, которые оставила ему жизнь, он одновременно с чтением курса органической химии руководил созданной им там большой лабораторией. Назаров создал в нашей стране свою научную школу, воспитал много учеников, среди которых были как кандидаты, так и доктора наук. За время, когда он руководил этой лабораторией, там было выполнено много интересных исследований.
