Patienter som led av förföljande vanföreställningar uppmuntrades att kliva in i en datorgenererad tågvagn under jord och en hiss.
Simuleringarna gjorde det möjligt för studiens 30 patienter att lära sig sociala situationer som de fruktade var faktiskt säkra.
Forskningen vid Oxford University, som publicerades i British Journal of Psychiatry, finansierades av Medical Research Council.
Medlemmar i en grupp patienter uppmanades att använda sitt normala defensiva beteende, såsom att undvika ögonkontakt.
Resten av patienterna uppmuntrades att sänka sitt försvar och försöka lära sig att de var säkra genom att närma sig datakaraktärer (avatarer) och stå tå-mot-tå eller stirra på dem.
Denna grupp, som fullständigt testade sina farhågor, visade den största minskningen av deras paranoida vanföreställningar.  Mer än hälften av dem hade inte längre någon allvarlig paranoia i slutet av testdagen.
Den första gruppen, som använde sitt försvar, såg också en viss minskning av graden av svår paranoia.
Studien leddes av professor Daniel Freeman, klinisk psykolog vid institutionen för psykiatri vid Oxford University.  Han sade till mig: " I hjärtat av paranoia finns den ogrundade uppfattningen att människor är hotade.
"Med virtuell verklighet kan vi hjälpa personen att åter lära sig att de är säkra, och när de gör det smälter paranoia bort."
Oxfordteamet uppskattar att cirka 1-2% av befolkningen har svår paranoia någon gång i livet, vanligtvis förknippas med en psykisk sjukdom som schizofreni.
Patienter har en sådan stark känsla av misstro att de undviker kontakt med människor och kan sällan lämna hemmet.
Studien var liten och patienterna hade bara en halvtimmes behandling av virtuell verklighet utan någon långtidsuppföljning.  Prof Freeman sade dock att resultaten var "exceptionellt bra".
Han tillade: " Jag tror att detta är en glimt av den mentala hälsovårdens framtid.  Det pågår en revolution i den virtuella verkligheten med många headset som blir tillgängliga.
"När dessa blir billigare kommer vi att se dem användas inte bara i kliniska miljöer, utan i människors hem."
Toby Brabham, 45 år, fick diagnosen schizofreni för mer än 20 år sedan och har upplevt svår paranoia.
Han sade till mig: " Jag brukade uppleva förföljare röster - de skulle ha en chans på mig.
Jag undvek att gå ut och när jag gjorde det var det med huvudet nedåt så jag undvek ögonkontakt. Det var väldigt isolerande."
Toby behandlas nu framgångsrikt och gick med på att testa det virtuella verklighetssystemet för BBC.
Efteråt sa han: "Om jag går på ett Tube-tåg eller lift nu kommer jag säkert att minnas den virtuella verklighetsupplevelsen och jag tror att det kommer att vara till hjälp för att minska alla känslor av ångest som jag kan ha."
Doktor Kathryn Adcock, chef för neurovetenskap och mental hälsa vid Medicinska forskningsrådet, sade: " Den virtuella verkligheten har visat sig vara mycket effektiv när det gäller att bedöma och behandla psykiska hälsoproblem.
"Denna studie visar potentialen för dess tillämpning på ett stort psykiatriskt problem."
Brian Dow, vid välgörenhetsorganisationen Rethink Mental Illness, sade: " Det är spännande att se banbrytande teknik användas innovativt för att behandla vad som kan vara ett extremt skrämmande och störande symptom för vissa människor som lider av psykisk sjukdom. "
Virtual reality har använts för att behandla svår paranoia.