Н. В. Тимофеев-Ресовский, с трудом переживший горе, не только дождался прихода в Бух советских войск, но ещё и уговорил трех ученых, задействованных в немецком атомном проекте, остаться и не эвакуироваться к американцам. В дальнейшем они: физик К. Циммер, радиохимик Г. Борн и радиобиолог А. Кач, приняли самое непосредственное участие в создании атомного оружия для Советского Союза. Весной 1945 года Тимофеев-Ресовский отказался от предложения перевести свой отдел на запад Германии и сохранил весь коллектив и оборудование до прихода советских войск. В апреле 1945 года советская военная администрация назначила его директором Института исследований мозга в Бухе (после бегства весной 1945 года прежнего директора, профессора Шпатца).
13 сентября 1945 года Николай Владимирович был задержан опергруппой НКВД города Берлина, этапирован в Москву и помещён во внутреннюю тюрьму НКГБ. 4 июля 1946 года Военная коллегия Верховного суда РСФСР приговорила его к 10 годам лишения свободы по обвинению в измене Родине и 5 лет поражения в правах с полной конфискацией имущества. Не учли в приговоре многочисленные научные заслуги, трагедию сына и покровительство беглым военнопленным и остарбайтерам в годы войны.
Он отбывал срок в Самарковском отделении Карлага. Но в 1947 году в связи с работами по созданию атомной бомбы как специалиста по радиационной генетике Н. И. Тимофеева-Ресовского перевели из лагеря на «Объект 0211» (Лаборатория «Б») в Челябинской области (в дальнейшем в составе города Снежинска) для работы по проблемам радиационной безопасности. С 1947 года заведовал биофизическим отделом «Объекта 0211». В начале 1950-х учёного выдвинули на Нобелевскую премию за исследования мутаций, но власти не ответили на запрос Швеции о том, жив ли он.
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.
