После революции, опасаясь ареста, уехал из Петрограда, в конце концов добрался до Омска, где был командирован в США Сибирским правительством. Через Архангельск выехал в Норвегию, затем в Данию, Великобританию и наконец добрался до Соединенных Штатов. В январе 1919 возвратился в Омск через Японию, Владивосток и Харбин, однако, получив новое задание от правительства Колчака, вновь отправился в США, где на первых порах был зачислен в Закупочную комиссию при посольстве России (во главе с Б.А.Бахметевым). Получил работу в лаборатории компании «Вестингауз» в Питсбурге, где с 1923 занимался конструированием передающих и приемных электронных трубок, разнообразного фотоэлектрического оборудования. В 1924 стал гражданином США. В 1923 изобрел оригинальную конструкцию передающей трубки (иконоскопа), в 1924 приемной трубки (кинескопа).
В конце 1920-х годов познакомился с еще одним выходцем из России Давидом Сарновым, президентом RCA (Radio Corporation of America), и поступил на работу в отделение компании в Камдене (затем в Принстоне, шт. Нью-Джерси). В 1931 создал конструкцию серийной трубки с мозаичным фотокатодом, решил проблему передачи цвета, заложив основы цветного телевидения. Уже в следующем году в Нью-Йорке на «Эмпайр стейт билдинг» была установлена телестанция, а заводы RCA начали производство первых телевизоров. В 1933 Зворыкин сделал доклад на сессии Американского общества радиоинженеров, озаглавленный «Иконоскоп современный вариант электрического глаза», после чего получил приглашения от крупнейших университетов разных стран мира, в том числе из СССР, с которым RCA удалось заключить крупный контракт.
В 1930-х годах Зворыкин занимался различными проблемами электронной оптики, изобрел прибор ночного видения, использовавшийся во время Второй мировой войны, и новую трубку супериконоскоп. Разрабатывал электронный микроскоп и ряд других электронно-оптических приборов. По заказу военного ведомства участвовал в конструировании систем радиолокации. В 1950-е годы Зворыкин много занимался медицинской электроникой, в частности конструированием приборов эндорадиозондирования в Рокфеллеровском центре медицинских исследований в Нью-Йорке. После отставки с должности директора лаборатории электроники RCA был назначен на пост почетного вице-президента компании, был внештатным профессором университета Майами (шт. Флорида).
В эти годы Зворыкин был удостоен множества наград, его приглашали крупнейшие университеты мира, он был избран президентом Международной федерации медицинской электроники.
Автор книг: Фотоэлементы и их применение (Photocells and Their Applications, 1932), Телевидение (Television, 1940; 2-е изд. 1954), Электронная оптика и электронный микроскоп (Electron Optics and the Electron Microscope, 1946), Фотоэлектричество и его применение (Photoelectricity and Its Application, 1949), Телевидение в науке и промышленности (Television in Science and Industry, 1958).
Умер Зворыкин в Принстоне (шт. Нью-Джерси) 29 июля 1982.