Работал специалистом Ростово-Нахичеванской опытной станции и Государственной комиссии по сортоиспытанию в Северо-Кавказском крае. В 1930 наряду со многими представителями Госсорткомиссии арестован, в 1931 году приговорен к административной ссылке в Алма-Ату. Супруга Екатерина Полковникова оставила работу в Ростове-на-Дону и последовала за мужем в Казахстан, в 1932 году у них родился сын Игорь. В 1931-1934 гг. А.И.Миловзоров заведовал отделом селекции Илийской рисовой опытной станции, руководил новым комплексным опорным пунктом сортоиспытания в Алма-Ате, где провел большую работу по сортоиспытанию полевых и овощных культур. В 1933 году, после окончания срока ссылки, Анатолий Иванович назначен директором Алма-Атинского ботанического сада Казахского филиала Академии наук, проводил научную и организационную работу по озеленению городов и новостроек Казахстана. Одновременно с работой в ботаническом саду читал лекции в сельскохозяйственном институте.

В 1938 году в Казахстане началось освоение пустынных целинных земель. А.И.Миловзоров принимал активное участие в данной программе в качестве заместителя директора по научной части и заведующего отделом богарного земледелия Приаральской опытной станции Всесоюзного института растениеводства (1938-1952 гг.). Проводил интенсивную работу по селекции проса, кормовых культур (является автором сортов люцерны Приаральская, Тибетская, Челкарская пестрая), разработал новые агроприемы богарного земледелия для полупустынь и внедрил их в практику хозяйств, подготовил несколько сотен овощеводов и растениеводов. В 1952 году за разработку методов растениеводческого освоения песчаных полупустынь западного Казахстана и за внедрение этих методов в производство Анатолию Ивановичу присуждена Сталинская премия (в 1963 г. переименована в Государственную премию СССР).

В 1952 году избран на должность доцента кафедры растениеводства Азово-Черноморского сельхозинститута (ст.Персиановская), в 1957-1960 гг. — доцент по курсу «Селекция и семеноводство», в 1961-1962 гг. — заведующий кафедрой растениеводства, с 1962 — доцент этой же кафедры. По совместительству в 1957-1959 гг. — заместитель декана агрономического факультета, в 1962-1966 — ученый секретарь совета института.

А.И.Миловзоров подготовил 10 кандидатов сельскохозяйственных наук, многие из них остались на преподавательской работе в Донском сельскохозяйственном институте, опубликовал более 30 научных статей. Одновременно с преподавательской работой плодотворно трудился в колхозах и совхозах, помогая во внедрении новых приемов растениеводства, повышающих урожай и улучшающих его качество. В 1966 году ему присвоено звание «Заслуженный агроном РСФСР».

А.И.Миловзоров также награжден орденом «Знак Почета», медалями «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.», «50 лет Вооруженных сил СССР», «За доблестный труд» в ознаменование 100-летия со дня рождения В.И.Ленина, рядом почетных грамот.