В 1937 году Николай Владимирович получил от официальных советских властей приказ вернуться в СССР, однако Н.К. Кольцов предупредил его, что в СССР его скорее всего ждёт арест, и Тимофеев-Ресовский отказался вернуться в Советский Союз.
В 1945 году органы НКВД арестовали Тимофеева-Ресовского в Берлин-Бухе и депортировали в СССР. Военная коллегия Верховного суда РСФСР приговорила его к 10 годам лишения свободы как невозвращенца, и он был отправлен в Карагандинский лагерь, известный своими жестокостями «Карлаг», где оказался на грани смерти от истощения.
Благодаря советскому урановому проекту, которому требовался специалист по защите от радиации, Тимофеев-Ресовский был через некоторое время разыскан министром А. Завенягиным, отправлен на излечение от пеллагры (большие дозы сильных лекарств привели к отслойке сетчатки – тогда он потерял центральное зрение) и затем в секретный институт.
В 1947-1955 гг. Н.В. Тимофеев-Ресовский руководил биофизическим отделением Лаборатории «Б» в Сунгуле на Урале.
В 1956 году Н.В. Тимофеев-Ресовский в Свердловске, в институте биологии Уральского филиала АН СССР создал лабораторию биофизики. Одновременно он читал лекции на физическом факультете Уральского университета (1955-1964). Докторскую диссертацию Тимофеев-Ресовский защитил в Свердловске только в 1963 г.
В 1964 году был приглашён в г. Обнинск (Калужская область), где в Институте медицинской радиологии Академии медицинских наук СССР организовал и возглавил Отдел общей радиобиологии и генетики.
В 1956-1968 гг. Николай Владимирович организовывал неформальные семинары и летние школы по генетике и теоретической биологии, которые привлекли к генетике и эволюционной теории многих молодых биологов.
В 1968 году по лживому доносу был снят с работы и лишён возможности вести семинары и летние школы. Донос был написан человеком, которого Николай Владимирович считал своим учеником.
С 1970 года вплоть до кончины Тимофеев-Ресовский работал в Институте медико-биологических проблем Министерства здравоохранения СССР. Принимал участие в разработке программы биологических экспериментов на искусственных спутниках Земли, а также в обсуждении и обработке результатов этих экспериментов.
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский – член многих иностранных академий, скончался в Обнинске, после тяжёлой болезни 28 марта 1981 г.
Тимофеев-Ресовский был посмертно реабилитирован только в 1992 году.
Биография Н.В. Тимофеева-Ресовского была положена в основу документального романа Даниила Гранина «Зубр».
Из Записок Ирины Борисовны
«В октябре 1917 года мне было 8 лет. Я смотрела в окно нашей киевской квартиры по Караваевской, 13 (напротив химических лабораторий университета) на толпы студентов с красными флагами.
С 1918 года отец стал работать в Сортоводно-семенном Управлении Сахаротреста (ССУ) сначала начальником, а потом научным руководителем».
Игорь