Вначале Николай Владимирович работал научным сотрудником, но вскоре стал руководителем отдела генетики и биофизики в Институте исследований мозга в пригороде Берлина – Бухе. Он за счёт Общества кайзера сумел попасть на семинары Нильса Бора, которые для своего времени были настоящим мейнстримом научного мира.
Есть сведения, что подающего надежды русского исследователя в 1936 году даже приглашали в США в Институт Карнеги. Но он остался работать директором отделения генетики Института мозга в берлинском районе Бух. Нацисты его не трогали, так как не нашли у Тимофеева-Ресовского еврейских корней, а авторитет в научной среде у него тогда был достаточно высок. Да и не было пока у немцев интереса к каким-то там мутациям, вызванными радиоактивным излучением.
В 1930-х годах из четверых братьев Тимофеева-Ресовского трое были арестованы. В 1934 году был арестован Борис, причина и дата его смерти неизвестны, 1 мая 1937 был арестован Владимир, расстрелян 28 февраля 1938 года, тогда же в 1937 году был арестован Виктор, который до 1939 года находился в ссылке. К тому же и с более весомыми фигурами, например, Н. И. Вавиловым, особенно не церемонились. Весной 1937 года советское консульство отказалось в очередной раз продлевать Тимофеевым-Ресовским паспорта – тем самым настоятельно предлагая им вернуться в СССР. Однако, по словам Николая Владимировича, Н. К. Кольцов предупредил его, что по возвращении их скорее всего ждут «большие неприятности». А. Г. Мёллер передал ему из СССР записку от Н. И. Вавилова, что там его ждёт тюрьма или что-то похуже.
И в 1937 году, в самый разгар чисток на родине ученый принял решение не возвращаться в СССР и за что его лишили гражданства. Вполне вероятно, именно это решение спасло ему жизнь.
Нацистский режим даже с нападением на Советский Союз не принял никаких особенных мер в отношении руководителя отделения генетики Института мозга. Во многом это было следствием хороших отношений Николая Владимировича с научной элитой Германии – многие его просто прикрывали, не видя угрозы режиму. Он был знаком с разными ботаниками и зоологами, он дружил с учеными и инженерами, задействованными в нацистском атомном проекте. Учёный курировал в институте программу радиационного мутагенеза, а уже с конца 30-х годов у нацистов интерес к атомной проблеме определенно вырос. Н. В. Тимофееву-Ресовскому даже подарили генератор быстрых нейтронов для продолжения опытов над дрозофилами. Так как Николай Владимирович отказался вернуться в Советский Союз и продолжал жить и работать в гитлеровской Германии, то он был осуждён в СССР за измену Родине как невозвращенец.
Во время Второй мировой войны сын Тимофеева-Ресовского Дмитрий стал членом подпольной