Postigavši svoj prvi cilj Milanković je krenuo u svoj pobedonosni pohod. Činilo mu se da je njegov drugi cilj, koji se može nazvati fizičkim delom teorije, u vezi s izračunavanjem količine Sunčevog zračenja koja pada na površinu svake planete, tokom svakog godišnjeg doba i na svakoj geografskoj širini, na dohvatu ruke.
U početku su njegova istraživanja dobro napredovala. „Ali nastojeći da dublje proniknem u sam problem, naiđoh na brojne teškoće i ne mogah dalje.” Uz to, burni događaji početkom 20. veka nisu mu omogućili nesmetan rad. To ipak nije pokolebalo mladog naučnika. Bio je uveren u svoju snagu i uspeh, bez obzira na iskrsle probleme.
Već 1912. godine izbija Prvi balkanski rat, u kome učestvuje kao rezervni oficir Vojske Srbije. Dok je posmatrao srpske jedinice kako se probijaju ka planinskom vrhu Starac iznad Pčinje, njegove misli bile su okrenute njegovom vlastitom naučnom jurišu u savladavanju teorijskih prepreka. Ubrzo su srpske jedinice osvojile vrh, a Milanković je dokučio rešenje matematičkih problema. Uskoro je nastao prekid vatre i on se vratio svom naučnom radu u Beogradu. Po izvršenoj demobilizaciji, Milanković odlazi na kraći boravak u Dalj, a decembra 1913. godine posećuje Beč, kako bi se upoznao i snabdeo sa najnovijom naučnom literaturom neophodnom za dalja naučna istraživanja.
„U Beču sam se uverio da sam svoje delo otpočeo u najbolje vreme. Baš tada stiže iz Amerike vest da je solarna konstanta, naposletku, izmerena. Njeno nedostajanje bila je poslednja zapreka uspehu moga dela.“
Iako je sada brzo napredovao, zbog nesigurnih prilika na Balkanu, odlučio je da ne nastavlja svoje proračune, dok rezultate do kojih je već došao, ne stavi na hartiju. Tokom 1912, 1913. i 1914. godine objavljeno je šest njegovih zasebnih naučnih rasprava, koje su obuhvatale rezultate istraživanja raspodele Sunčevog zračenja na površini Meseca i njegove promene usled obrtanja Meseca, matematičke veze između osunčavanja planeta i temperatura, zatim, raspravu o termičkoj konstitutciji Marsove atmosfere i dr. Među radovima objavljenim u ovom periodu, bio je i članak „O pitanju astronomskih teorija ledenih doba”. Štampan početkom 1914. godine na srpskom jeziku, u jeku teških vremena u Evropi, ovaj članak je godinama ostao nepoznat naučnoj javnosti. Ipak, Milankovićevi radovi su već bacili novo svetlo na pitanje ledenih doba. Ove rasprave, kako Milanković ističe, „rešavaju pojedinačna pitanja postavljenog problema, pa liče kamenima-tesancima, kojima bi se, naročito velikim delom, moglo sazidati zdanje jedne nove oblasti nauke.“ Ponovo se vraća svojim proračunima, uveren da mu više ništa ne stoji na putu, i da mu je potrebno samo vreme za računanje.
Prvi svetski rat, 1914. godine, zatekao ga je na svadbenom putu u rodnom Dalju, koji je tada bio na teritoriji Austrougarske. Kao državljanin Srbije biva zarobljen i sproveden u garnizonski zatvor u Osijeku, koji se nalazio u kazamatima starih gradskih bedema. I u ovim okolnostima Milanković nastavlja svoj naučnički rad.
„Sedoh na krevet, obazreh se po sobi i stadoh da se uživljujem u svoj novi društveni položaj... U mome ručnom koferu koji sam poneo sa sobom, nalazili su se moji već štampani ili tek započeti radovi o mom kosmičkom problemu; tu je bilo i čiste hartije. Počeh da prelistavam te spise, uzeh u ruke svoje verno naliv-pero, stadoh da pišem i računam. Posao mi je išao izvanredno od ruke...Uveliko je bila prošla ponoć kada se digoh sa posla. Kada se obazreh po sobici, zapitah se gde se nalazim. Izgledala mi je kao prenoćište na mome putovanju po vasioni.”
Ubrzo biva interniran u logor, u selo Turanj, kod Karlovca, a oktobra 1914. godine, Milanković je premešten u koncentracioni logor u Nežideru, u Austriji.
Decembra 1914. godine, uoči katoličkog Božića, zalaganjem svog profesora matematike Čubera iz Beča, biva, u interesu nauke, oslobođen i upućen da živi u Budimpešti, uz obavezu da se jedanput nedeljno javlja policiji.
Po dolasku u Budimpeštu, sreće se s upravnikom biblioteke Mađarske akademije nauka, Kolomanom fon Silijem, koji ga je, budući da je i sam bio matematičar, oberučke primio i omogućio mu nesmetan naučni rad u biblioteci Mađarske akademije nauka i Centralnog meteorološkog instituta. Tako je blistavi um ponovo krenuo zvezdanim stazama istraživanja.
U Budimpešti, s porodicom je proveo četiri godine. U svojim sećanjima, kao posebno tešku, ističe 1915. godinu.
„Godina 1915. bila je godina teških iskušenja i nedaća po Srbiju, njene saveznike, i po mene samog. Na Aranđelovdan, 21. novembra 1915. godine, posle duge teške bolesti, preminu moja majka u Dalju... Ipak se strašna godina 1915, pred svoj kraj, osmehnu na mene. Baš na katolički Božić, rodio se sin. Nadenusmo mu ime moga poočima ujka-Vase, Vasilije.“
Informacije sa frontova ukazivale su da će svetski rat dugo trajati, što se odrazilo i na tempo Milankovićevog naučnog rada. Radio je „bez žurbe i pažljivo planirajući svaki korak”. Matematičku teoriju za prikaz sadašnje klime na Zemlji već je bio razvio do dolaska u Budimpeštu, tako da je, tokom prve dve godine boravka u Budimpešti, svoj naučni rad usredsredio na opisivanje sadašnje klime na Marsu i Veneri.
Do sredine 1917. godine, završio je rad na knjizi „Matematički osnovi nauke o kosmičkom zračenju”, u kojoj su opisane promene osunčavanja Zemlje tokom poslednjih 600 hiljada godina. Pokazao je da se sekularne promene osunčavanja Zemlje mogu predstaviti kao jednoznačne funkcije nagiba ekliptike, ekscentriciteta Zemljine putanje, longitude perihela, solarne konstante i geografske širine. Tako je, uprkos Prvom svetskom ratu, postigao svoj drugi cilj: matematički izraz sadašnje klime na Zemlji, Marsu i Veneri.
Milankovićevi „Matematički osnovi nauke o kosmičkom zračenju” sadrže dva dela: prvi deo obuhvata teoriju, a drugi deo njene primene koje pokrivaju tri različite oblasti: matematička istraživanja i opisivanja sadašnjeg stanja osunčavanja i solarne Zemljine klime, sekularne promene osunčavanja Zemlje i njihove efekte, i istraživanja termičkih pojava na površinama planeta. Na osnovu sekularnih promena ekscentriciteta Zemljine putanje, nagiba Zemljine ose rotacije i precesije ravnodnevica, Milanković je odredio sekularne varijacije Zemljinog osunčavanja za vremenski period od proteklih 130.000 godina. Takođe, svojim matematičkim obrascima izračunao je kolike bi bile srednje godišnje temperature u prizemnom sloju atmosfere na pojedinim uporednicima, pod pretpostavkom da nema vazdušnih i morskih struja. Prema njegovim proračunima, srednja godišnja globalna temperatura prizemnog sloja Zemljine atmosfere iznosila je 15,2° Celizijusa, što se neznatno razlikovalo od globalne srednje godišnje temperature dobijene na osnovu tadašnjih sistematskih meteoroloških osmatranja u okviru Globalnog osmatračkog sistema (15,3° Celizijusa).
Svojom aktuelnošću, pažnju naučne javnosti privukli su i njegovi rezultati istraživanja termičkih pojava na drugim planetama, naročito na Marsu. Prema Milankoviću, srednja temperatura najnižih vazdušnih slojeva ove planete iznosi -17° Celzijusa, što je ubrzo i potvrđeno astronomskim istraživanjima. Time su pobijena tada široko rasprostranjena shvatanja o mogućoj naseljenosti Marsa živim bićima složenije građe.
Po završetku svoje knjige sredinom 1917. godine, vraća se svom probitnom zanimanju građevinskog inženjera. U projektantskom birou Vili Obrista u Pešti, radi na izradi detaljnih projekata armirano-betonskih konstrukcija novog šestospratnog sanatorijuma izgrađenog u Visokim Tatrama, kao i na drugim značajnim projektima.
„U Obristovom projektantskom birou provedoh preko godinu dana, izrađujući uvek najkomplikovanije projekte. Njihova izrada činjaše mi zadovoljstvo jer se osvedočih da sam se u međuvremenu od svoje nekadanje inženjerske prakse vrlo usavršio u primeni teorije na praktične ciljeve“.
Krajem 1918. godine, posle slavnih pobeda srpske i savezničke vojske, Prvi srpski rat se završio. Prvog decembra 1918. godine proglašeno je ujedinjenje južnoslovenskih naroda u Kraljevinu Srba, Hrvata i Slovenaca. Milanković se sa svojom porodicom i rezultatima svog četvorogodišnjeg naučnog rada, belim dunavskim parobrodom „Gizela“ vraća kući u Beograd, 15. marta 1919. godine, i tako završava „svoje petogodišnje burno svadbeno putovanje.“
Knjigu „Matematička teorija toplotnih pojava izazvanih Sunčevim zračenjem“ na francuski prevodi akademik Ivan Đaja, i ona se publikuje pod nazivom “Theorie mathematique des phenomenes thermiques produits par la radiation solaire”. Objavljena je u Parizu 1920. godine, čime Milutin Milanković i formalno pristupa zasnivanju svoje čuvene astronomske teorije promene klime.
Meteorolozi su ovo delo, odmah po objavljivanju, prepoznali kao značajan doprinos proučavanju savremene klime. Pored toga, Milanković je tvrdio da bi bilo moguće izračunati količinu Sunčeve energije koja je dopirala do Zemlje za bilo koje vreme u prošlosti, te je njegova matematička teorija, takođe, bila korisna i istraživačima klime prošlosti naše planete.
