В 1935 г. он опубликовал (совместно с К. Циммером и М. Дельбрюком) классическую работу «О природе генных мутаций и структуры гена», ставшую важной вехой в становлении биофизического и молекулярного подхода к проблемам генетики.
Научно-исследовательская деятельность Тимофеева-Ресовского в предвоенной Германии внесла фундаментальный вклад в ряд областей современной биологии. Здесь он открыл и обосновал фундаментальные положения современной генетики развития и популяционной генетики. Он также принял участие в создании основ современной радиационной генетики.
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.