В 1951 году Николай Владимирович был освобождён из заключения с букетом болезней и стал работать на оборонный комплекс страны заведующим отделом радиобиологии в свердловском НИИ.
В 1955—1964 годах он заведовал отделом биофизики в Институте биологии УФ АН СССР в Свердловске. В сентябре 1957 года близ Кыштымы взорвался резервуар радиоактивных отходов. Эта авария известна как «малый уральский Чернобыль». Тимофеев-Ресовский тогда работал на Урале в особой «Лаборатории Б», где возглавлял биофизический отдел. Он смог защитить территории от радиационного загрязнения, организовав специальные каскады водоемов, засаженных растениями, которые накапливают и выводят радиоизотопы. Для работы в радиационно загрязненных местах Николай Владимирович изобрел особые таблетки – комплексоны. Они связывают в организме свободные радикалы, которые образуются в результате ионизации клеток и представляют главную опасность.
Позже он предложил использовать гигантскую загрязненную зону («плевок», как он её называл) как полигон для исследований последствий радиоактивного заражения. Проект сначала был одобрен, но без участия «неблагонадежного» автора. В результате институт так и не был создан. «Если бы послушались Тимофеева-Ресовского, Россия, Украина, Белоруссия и весь мир не получили бы Чернобыля…», – говорил писатель Даниил Гранин в фильме Елены Саканян «Любовь и защита», посвященном ученому.
Н. В. Тимофеев-Ресовский работал также на биостанции, основанной им на озере Большое Миассо́во в Ильменском заповеднике. В декабре 1957 года первый раз защитил докторскую диссертацию в Ботаническом институте АН СССР в Ленинграде, однако она не была утверждена ВАК. В 1963 году второй раз защитил докторскую диссертацию уже по совокупности работ в Свердловске, докторский диплом был получен в 1964 году только после смещения Н. С. Хрущёва и реабилитации генетики как науки.
В 1964—1969 годах Николай Владимирович уже в Обнинске, возглавил Отдел общей радиобиологии и радиационной генетики Института медицинской радиологии АМН СССР. С 1969 года работал консультантом в Институте медико-биологических проблем в Москве.
В 1987 году после публикации романа Даниила Гранина младший сын Н. В. Тимофеева-Ресовского, Андрей, физик и сотрудник Института физики металлов УрО РАН, а также представители научной общественности потребовали реабилитации выдающегося учёного-генетика. 4 февраля 1991 года Прокуратура СССР отменила постановление Главной военной прокуратуры об измене Родине на основании того, что вывод о проведении Н. В. Тимофеевым-Ресовским научных исследований, имеющих военное значение, недостаточно аргументировано. Николай Владимирович был реабилитирован лишь в июне 1992 года Верховным судом РФ.
И как воспоминал академик АН ГДР Роберта Ромпе: «…он был человек православный,