Во время Второй мировой войны сын Тимофеева-Ресовского Дмитрий стал членом подпольной антинацистской организации под названием «Берлинский комитет ВКП (б)», созданной Н. С. Бушмановым. Сам Н. В. Тимофеев-Ресовский выдавал различные справки «остарбайтерам», бежавшим с фабрик.

В 1943 году гестапо бросило в концентрационный лагерь Маутхаузен за участие в сопротивлении сына Зубра, Дмитрия, готовившего покушение на Власова и самого Розенберга. Николаю Владимировичу предлагали в обмен на свободу сына участие в программе насильственной стерилизации цыган. Ученый отказался, и его сына 1 мая 1945 года расстреляли за участие в подпольной группе сопротивления.

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 «