1937年，他第一次對狗進行人工心臟移殖手術，而這顆人工心臟，是他自行研發製造。術後，這條狗僅存活2小時。不過也因為這次的手術，讓他聲名大噪，不僅成為學校知名人物，甚至在俄羅斯活體器官移植學術界，也知道他這號人物。1941年，第二次世界大戰爆發，他被徵召到前線。戰後，俄羅斯頒給他數枚勳章。
在經歷過大小手術後，1950年後半，他開始一項史無前例的驚人手術，移植活體狗的頭部手術，也就是將一頭活的狗的頭，移執到另一活的狗身上，讓德國牧羊犬的身體，同時有兩個頭部。手術過程既繁雜又冗長，最後移植成功，成為世界第一頭同時擁有兩個頭的狗，只是這條狗僅存活四天，就心臟衰竭而死。期間他不斷地進行研究，犧牲了非常多條狗的生命，但沒有一個案例可活過五天。
一直到1959年4月11日，他終於對世界展示最後的成果，將一頭活的小狗的頭，移植到德國牧羊犬身上，這條雙頭狗共活了三個星期，最後也是死於心臟衰竭。當時蘇聯並未將此事公諸於事，因為冷戰因素，所以僅蘇聯醫學界知道這史無前例的手術。
五年後，此消息才傳到歐美等西方國家，當時為之震動。當時西方醫學界認為活體器官移植手術根本是不可能的事，當他們知道雙頭狗的成功案例後，不論哪個國家的醫學人員，皆認為，這手術史無前例的重大突破，其重要性不亞於人類登上月球。不過動物團體則是排山倒海地反對這類手術，因為違反道德，且非常無人性地殘害狗類動物。所以他在社會的評價，是正反參半。一半人認為，他是活體器官移植神人，另一半人認為，他是專門犧牲動物來成就他名聲的惡魔。
事實上，美國華盛頓大學（Washington University）的查爾斯克勞德賈瑟瑞博士（Charles Claude Guthrie），早在1908年，進行過數次的移植活狗頭部手術，這跟弗拉基米爾德米霍夫的作法一樣，將一頭活狗的頭部，移植到另一頭活狗上，但從未成功過，反而犧牲了無數的狗。而這爭議性過大的手術，在道德團體抗議下，沒有任何人敢再嚐試，一直到弗拉基米爾德米霍夫，向世界展示雙頭狗照片後，這個潘朵拉盒子，終於還是被打開了。
1960年，美國醫學人員，也不管是否政府有在監管，紛紛派人到當時敵對的蘇聯，向弗拉基米爾德米霍夫學習活體器官移植手術，特別是血管及神經縫合手術，包括美國、加拿大及日本等醫學人員，都仿效他的技術來縫合患者血管及神經，以減少手術時間。
1965年，弗拉基米爾德米霍夫再度提出人體器官銀行的理論，也就是製造一個可以儲存人體器官的冷凍庫，以讓病患能在危急時刻，立即有活體器官可用。然而，這個論點，再度受到強烈抨擊，甚至蘇聯學術界威脅他關掉實驗室。
也因他一再挑戰道德底限，最後被政府單位強制他停止一切，有關活體器官移植的實驗。這一舉動，讓他中斷所有研究，也讓他失去了所有目標與鬥志，但另一方面，也阻止他不顧道德爭議，一再用活體動物作實驗的舉動。1998年，弗拉基米爾德米霍夫辭世，享年82歲，結束了他爭議的一生。俄羅斯政府在他死後，頒給他勳章，以紀念他在醫學上的突破。
