薇拉1951年從康奈爾大學畢業。同年夏天她丈夫獲得博士學位並決定去約翰霍普金斯應用物理實驗室工作。他選擇那裏主要是考慮到薇拉可以有較多的機會繼續攻讀博士學位，從而在不遠的將來能圓她的天文學家之夢。離開康奈爾之後，薇拉有差不多一年的時間呆在家裏“相夫教子”，應該說那段生活還是很安逸的。但是她頭腦裏那根深蒂固的想成為天文學家的夢想還是不時令她寢食難安。即使是在當家庭主婦的日子裏，她也一直訂閱《天文物理期刊》。每當收到新一期的《天文物理期刊》，都能讓她興奮、快樂半天。帶孩子去遊戲場時，也經常拿上一本《天文物理期刊》。然而夢想和現實還是有很大距離的。她已經有一個年幼的孩子，肚子裏又有了第二個，繼續學業的決心可真不大好下。直到有一天她突然接到了伽莫夫打來的一個電話，伽莫夫詢問了一些與她的碩士論文有關的研究工作，並說在即將進行的一次學術報告中準備用到她的研究成果。這個電話最終促成薇拉下決心重返校園。經過與伽莫夫協調，喬治城大學同意接受她為伽莫夫的博士研究生（伽莫夫並非喬治城大學的教授）。由於喬治城大學大部分的天文學課程是由校外的專家、學者講授的，她需要修的課全都是在晚間6點鍾開始。為了支持薇拉完成學業，她們家可以說是全體總動員。在一次訪談中薇拉有這樣一段敘述：“我丈夫5點鍾離開辦公室，開兩英裏車到華盛頓接上我母親，她會帶上她自己和我父親的晚餐。5點半我喂完孩子，他們的車也正好到。母親下車，在家照顧孩子。我帶著給丈夫的三明治上車。我丈夫再開車送我去學校。我上課時，他則先在車裏吃完三明治，然後去圖書館看書、工作，等著我下課。我父親下班後直接去我家，和母親一起吃晚餐……”她的博士學位實在讀得很辛苦。其一，她沒能申請到獎、助學金（原因是“有更需要的人”），因而不得不自己付相當昂貴的學費。其二，整個白天她都需要照顧兩個孩子，隻有中午當孩子們午睡時可以讀一小時的書。真正能集中精力寫論文的時間是從晚上七點到淩晨兩點，超負荷的運轉常常搞得她精疲力竭。其三，伽莫夫是那種提出的想法常常令一般人無法理解的天才，不論在物理界還是在天文界都屬於觀念超前的非主流。他的個人形象也頗為亂七八糟，經常在會議上打瞌睡，醒來後又問些人家已經講過的問題；他還嗜酒，作報告時往往滿身酒氣。他給薇拉的論文題目具有相當的前瞻性和挑戰性，當然也就不易完成。盡管客觀條件不甚理想，薇拉卻僅用了兩年就獲得了博士學位（1954年）。她的博士論文《星雲分布在空間中的漲落》發表在1954年7月的《美國國家科學院院刊》上，這次天文學界的反應比哈弗福德會議上還糟——完全無人問津。
取得博士學位後，薇拉留在喬治城大學工作。1965年她成為卡內基科學研究所地磁部的首位女研究員，這是她學術生涯的一個重要轉折點。在地磁部和她共用一個辦公室的是一個叫福特（kent ford）的儀器專家，他那時剛好發明了一種用來測量電磁波譜的儀器——影像管攝譜儀。利用這種新儀器，薇拉和福特進行了一係列重要的觀測，其中對仙女座中物質運動的觀測尤為引人注目。薇拉在1968年的美國天文學會年會上報告了他們的結果，這一次與會者們對她的發言反應相當熱烈，著名天文學家閔可夫斯基（r.minkowski）當場對她說這篇論文應該馬上發表。但是有一個問題一直困擾著她和福特，他們的數據顯示，遠離仙女座中心的物體（恒星、氣體等等）圍繞中心運行的速度遠遠低於預期的數值。學過牛頓力學的人都知道，以太陽係為例，離太陽越遠的行星圍繞太陽運行的速度就越快。然而在仙女座中似乎所有物體運行的速度都差不多，就好像離中心越遠，中心的質量就變得越大似的。對這一現象最自然的解釋就是在仙女座中到處都充斥著某種雖然“看”不見但卻具有質量、從而能產生引力的物質。在仙女座之後，薇拉和福特又對幾十個其他星係進行了相似的觀測，所有的數據都指向一個結論：宇宙中存在大量具有質量但無法“看”見的神秘物質——暗物質。到70年代末，暗物質的存在開始逐漸被天文學界所接受，薇拉也終於成為一位重量級的天文學家，並在1996年獲得了天文學領域的最高獎——英國皇家天文學會金質獎章，她是該獎自1824年設立以來第二位獲此殊榮的女性。