С 1967 г. В. И. Мороз — активный участник исследований планет космическими аппаратами и руководитель многих экспериментов на советских автоматических межпланетных станциях «Марс-3», «Марс-5», «Венера-5»–«Венера-16», «Вега», «Фобос». Получил пионерские результаты, касающиеся свойств и строения атмосферы и поверхности Марса, атмосферы Венеры, атмосферы кометы Галлея, состава поверхности Фобоса. В. И. Мороз в течение 25 лет читал лекции студентам Московского государственного университета. Автор более 260 публикаций в научных журналах, монографий «Физика планеты Марс» и «Физика планет».