В начале 1942 года Ниловскому присваивается звание полковника (промежуточного «подполковник» тогда не было), и он становится начальником фронтовой группы гвардейских миномётных частей Западного фронта, которой успешно командовал до августа 1944 года (кстати, он воевал в 1941 году возле населённых пунктов Пешки и Ложки близ Солнечногорска).
Воевал и командовал так, что в 1943 году стал генерал-майором, а в 1944 году — генерал-лейтенантом артиллерии, награждён орденами Красного Знамени, Суворова II и I степени, Кутузова I степени, Богдана Хмельницкого. В 1945 году он был уже заместителем командующего артиллерией 3-го Белорусского фронта.
В 1946 году С.Ф. Ниловский продолжил учёбу в военной им. Дзержинского академии, в 1948 году стал научным руководителем группы реактивной артиллерии в НИИ-3, а в 1950 году был назначен начальником 6-го факультета академии им. Дзержинского. Тут он распрощался со ствольной артиллерией и с этого времени все свои знания и энергию отдаёт зенитно-ракетному оружию страны...
Рассказывают, что, когда в 50-х годах в астраханской пустыне за Волгой и Ахтубой прямо с колёс начали развёртывать то, что официально называлось «8-й научно-испытательный полигон Министерства обороны», или просто «Кап-Яр», его начальник, генерал-лейтенант Ниловский лично раздавал денежное содержание из сейфа в «козлике»: семейным служащим побольше, холостякам — поменьше, с предупреждением, что приедет начфин и всё уточнит.
В те времена знали, кого на такие дела назначать. Блат не проходил. 25 июля 1951 года на полигоне произведён успешный первый автономный пуск ЗУР «В-300». Тогда от американцев мы никак не отставали, более того, шли впереди, и в этом немалая заслуга Сергея Ниловского. В декабре правительство приняло постановление «О начале строительства подмосковных боевых позиций», а через год, в октябре 1952 года, — постановление о формировании первых зенитно-ракетных полков системы «С-25».
Для нового оружия нужны были и новые кадры личного состава. С этой целью создаётся новая структура — Учебно-тренировочная часть № 2, управление которой было в Москве. Сергей Ниловский переводится в Москву и руководит УТЧ-2 до конца 1956 года.
21 мая 1955 года систему «С-25» приняли на вооружение. УТЧ-2, выполнив свою задачу, расформировывается, а её функции передаются 1-й армии особого назначения. По логике вещей, командующим должен был стать Ниловский. Но нет, его обошли, назначив командующим армией представителя наземной ствольной артиллерии генерала К.П. Казакова. Блат всё-таки сработал. А Ниловскому в январе 1956 года в утешение дали орден Ленина и «нетитульную» должность начальника специальных войск — заместителя командующего зенитной артиллерией по ЗРВ войск ПВО страны. Затем в ноябре он назначается заместителем начальника по научно-исследовательской работе (НИР) вновь созданной Военной командной академии ПВО в Калинине, командовал которой тоже Герой Советского Союза генерал-лейтенант П.Г. Шафранов. Однако в академии Ниловский проработал недолго, и в марте 1957 года он назначается начальником вновь созданного в Калинине первого в Министерстве обороны научно-исследовательского института — НИИ-2 ПВО.
Все свои опыт и энергию Сергей Федорович отдал новому, во многом знакомому по прежней службе делу — формированию института как сложного комплекса из многих отделов, управлений, служб, хозяйственно-бытовых структур, и всё это на голом месте. Ветеран НИИ-2 Иван Васильевич Ерохин пишет: «Стремительно создавалась практически на пустом месте материальная база. Развернулось бурное строительство жилья для быстро увеличивавшегося штатного состава сотрудников, причём непосредственно вокруг служебного здания. А 34-й городской квартал, построенный на месте частного сектора и очерченный улицами Горького, Мусоргского, Фарафоновой, Коноплянниковой, в обиходе называли «кварталом Ниловского».
Первая комплексная НИР института завершена в 1959 году, её руководителем был С.Ф. Ниловский. Результаты и рекомендации НИР положены в основу плана развития войск ПВО страны до 1965 года. Затем начались другие, не менее важные для страны НИР: замысел организации и задачи ПВО стран Варшавского договора; раннее предупреждение о намерениях вероятного противника; методика оперативно-тактического и технико-экономического анализа систем вооружения и построения группировок ПВО и так далее, все направленные на развитие и совершенствование ПВО страны в целом.
В годы руководства С.Ф. Ниловского институтом и впоследствии здесь выросли как учёные, такие видные сотрудники, как Н.И. Павленко, В.Н. Журавлёв, П.В. Порожняков, Н.Н. Федотенков, Ю.И. Любимов, Д.С. Конторов, В.В. Глуздовский, Е.С. Сиротинин, И.В. Ерохин, Г.В. Сенчаков, В.И. Амосов, П.Я. Шлаен, В.Н. Асеев, С.К. Черненко и многие другие, всех здесь не перечислить.
