Научная биография ученого началась в 1923 г., он был зачислен в состав Психотехнической лаборатории, организованной И. Н. Шпильрейном при Народном комиссариате труда СССР. В 1925 г. эта лаборатория (уже как лаборатория психологии труда) вошла в состав Научно-исследовательского института охраны труда в Москве. С 1929 г. С. Г. Геллерштейн сменил своего учителя и руководил этой лабораторией до 1936 г. Институт охраны труда служил базой для развертывания практико-ориентированных психологических исследований в связи с задачами профессионального отбора и обучения, профилактики производственного травматизма и аварийности, психофизиологического нормирования труда, психофизиологической рационализации труда, его средств и условий и пр. Одновременно это была хорошая школа взаимодействия психологов с физиологами, гигиенистами, инженерами в области техники безопасности, педагогами. Уже тогда Соломон Григорьевич близко познакомился с биомехаником и психофизиологом Н. А. Бернштейном, труды которого были глубоко усвоены, приняты Геллерштейном и составили основу его психофизиологической концепции.
Теоретические исследования в рамках индустриальной психотехники разрабатывались в стенах ГНИЭППП – Государственного научного института экспериментальной психологии, педологии и психотехники в Москве, где с 1923 г. был организован сектор психотехники (руководитель – проф. И. Н. Шпильрейн), Соломон Григорьевич был привлечен своим учителем для работы в составе этого сектора (действовавшего вплоть до 1933 г.). Центральной проблемой, которая здесь экспериментально разрабатывалась ученым, была проблема психологии упражнения, развития профессионально важных качеств. Необходимо было понять психологическую природу явлений упражнения как основы изменчивости психических качеств человека. Проблема вариативности, изменчивости психических качеств взрослых людей под влиянием упражнения, разрабатываемая в рамках функциональной психологии (в варианте концепции немецкого психолога В. Штерна, которая была взята на вооружение И. Н. Шпильрейном), была чрезвычайно востребована практикой в связи с задачами диагноза и прогноза профессиональной пригодности. Работа в ГНИЭППП способствовала тесным научным контактам ученого с А. Р. Лурией, Л. С. Выготским, А. Н. Леонтьевым, А. А. Смирновым, Б. М. Тепловым и другими психологами.
В 1931 г. С. Г. Геллерштейну была присвоена ученая степень кандидата педагогических наук (по психологии) по совокупности работ, выполненных в этой области. С конца 1920-х годов С. Г. Геллерштейн преподавал прикладную психологию на отделении педологии 2-го МГУ (переименованного позже в МПГУ имени В. И. Ленина). Среди студентов Геллерштейна, обучавшихся в 1920–1930-е годы в этом вузе, – Ю. В. Котелова, В. В. Чебышева, Ю. И. Шпигель, В. М. Коган, Л. И. Селецкая, Д. И. Рейтынбарг, А. А. Нейфах, Г. И. Нецкий и др. С 1931 по 1934 г. Геллерштейн заведовал кафедрой психотехники в Педагогическом институте имени А. И. Герцена в Ленинграде, был знаком с С. Л. Рубинштейном, и другими психологами. В этот период под его руководством был разработан профиль психотехника как основа программы специализированной подготовки практических психологов.
С. Г. Геллерштейн принимал активное участие в организации Всероссийского общества психотехники и прикладной психофизиологии (1927 г.), был избран в состав правления «ВОП и ПП», неизменно входил в состав редколлегии журнала, который издавался как ветвь журнала «Психология» с 1928 по 1934 г. под названиями «Психофизиология труда и психотехника», «Психотехника и психофизиология труда», «Советская психотехника».
Опыт экспериментальных и практико-ориентированных исследований в области развития профессионально важных качеств во многих видах профессионального труда был основанием для приглашения в 1936 г. С. Г. Геллерштейна в качестве заведующего лабораторией в ВИЭМ (Всесоюзный институт экспериментальной медицины). Предметом исследования здесь были проблемы развития психических качеств взрослых людей-профессионалов. В это же время в составе ВИЭМ работали А. Р. Лурия (как заведующий лабораторией по изучению нормы и патологии психики) и А. Н. Леонтьев (как заведующий лабораторией, призванной исследовать законы развития психики ребенка).
Работа в военной авиации страны началась для С. Г. Геллерштейна в 1932 г. с разработки психотехнических основ профотбора военных летчиков. С 1934 по 1937 г. С. Г. Геллерштейн руководил психофизиологической лабораторией Института авиационной медицины, куда пригласил в 1934 г. К. К. Платонова, молодого врача, с опытом организации психофизиологических лабораторий на Горьковском автозаводе