1958年底，为探索弱光情况下进行观察的可能途径，王大珩提出增大观察望远镜入射孔径以提高观察性能的设想。根据他提出的思路，1959年光机所研制成功大倍率大口径观察望远镜，并在中国海防沿岸取得了富有成效的观察结果。此后，他根据国家发展国防工程的需要，陆续开拓了红外和微光夜视、核爆及靶场光测、高空及空间侦察摄影、空间太阳辐射模拟、激光技术以及大气传输和目标、背景辐射测试等国防光学工程技术领域。

　　20世纪60年代，中国原子弹爆炸试验迫在眉睫，而测试设备尚无着落，研制光测设备时间已来不及，就在这紧迫状况下，王大珩提出征用当时中国已进口的设备改装以满足核爆测试要求的紧急措施。在他指导下，经征用改装的普通高速摄影机能在不改变焦距的情况下扩大视场四倍，满足了核爆火球发光动态测试要求，取得了丰富的科学数据。

　　此后，光机所为靶场测试陆续研制提供了中小型电影经纬仪，激光、电视电影经纬仪，跟踪望远镜，光电瞄准仪等重要光测设备。王大珩在光学系统结构、光学玻璃、光学镀膜、光学加工、光学检验等各专业领域的广博知识和坚实的理论基础，对指导上述国防光学工程的研制并取得成功，起到重要作用。

　　1976年，中央决定修建毛主席纪念堂。王大珩在参加水晶棺制备工作中，运用丰富的光学技术知识，综合考虑了棺板间角度、软胶厚度以及力学等因素，对水晶棺进行了临界设计，并对瞻仰大厅的灯光设置及环境条件要求做了统筹安排，从而取得最佳瞻仰效果。

　　70年代，国际上遥感技术正在兴起，王大珩以敏锐的科学洞察力，看到这是很有发展前景的新领域。在他的带头和指导下，主持编写了全国遥感技术发展规划，并组织指导系统地开展了遥感技术试验研究工作。由他主持在长春进行了一次综合性的航空遥感试验，取得了丰富的成果。1980年，他主编出版了《长春遥感试验论文集》和《长春遥感试验典型图像分析》，为中国遥感技术的发展奠定了基础。

　　1980年，长春光机所等研制的船用激光、红外、电视电影经纬仪及船体变形测量系统两项国防光学工程在中国向太平洋发射远程运载火箭试验中，在船体簸荡、测试环境条件十分恶劣的情况下，出色地完成了火箭再入段的跟踪测量任务，独立解决了当今世界远洋航天测量的稳定跟踪、定位、标校和抗干扰等技术难题。王大珩对测量船的光学测量布局以及船体摇摆和挠曲变形的补偿与实时修正等方面提出的有独创性的设计构思，对保证光学测量起到重要作用。

　　由于他在中国国防光学科研中的突出贡献，王大珩1980年获全国劳动模范称号。1985年，上述靶场光测设备以“现代国防试验中的动态光学观测及测量技术”获国家科学技术进步特等奖，王大珩是首席获奖者。

　　在担任长春光机所所长时期，王大珩的科学组织活动早已超越一个研究所的范围，由他主持制订了1956年及1964年全国光学与应用光学科学规划，参与制订了全国计量科学规划以及仪器仪表行业发展规划，其中由他拟订的一些重大措施建议，对促进光学、计量和仪器仪表事业的发展具有重要作用。

　　王大珩一心关注着科学技术发展的脉搏，以敏锐的科学预见性，在世界科技发展的关键时刻，对中国一些重大科技发展方向提出重大建议。70年代末，他和中国核物理学家王淦昌联名向聂荣臻副总理提出请求给予投资，建立相当规模的激光核聚变装置的建议，在聂副总理的支持下，终于在1986年建成中国峰值功率超过1012瓦的强脉冲激光试验装置，使中国在实验室研究核爆机理方面在世界占有一席之地。1986年3月，王大珩鉴于美国战略防御倡议（SDI）和西欧尤里卡计划等高技术计划对世界各国造成的影响，由他发起并与王淦昌、杨家墀、陈芳允等三位科学家联名向国家最高领导提出了“关于跟踪研究外国战略性高技术的建议”。这个建议很快得到中央批准，并演变发展为“863计划”。其主要目标是在选定的生物、航空、信息、自动化、新材料、能源、激光等七个高技术领域跟踪世界先进水平，缩小同发达国家的差距。这一计划的实施，使中国高技术追踪国际水平的研究不断取得累累硕果，对中国20世纪末乃至21世纪初高科技的发展，产生重要影响。

　　他以中国科学院技术科学部主任、学部委员、全国政协委员、中国科协副主席等身份，以他渊博的知识和丰富的科学实践经验对科技活动发挥作用和施以影响。他联合其他学部委员向国家提出的加强中国基础科学研究、发展中国高技术产业、增加科技投入以及建立中国工程科学研究院等重大建议，都对中国科技发展决策起到重大影响。