В январе 1933 г. к власти в Германии пришли нацисты. Но на работе института в Бухе это практически не сказалось: «Мы очень мало замечали все, что происходило в Германии. Вильгельм II — так Вильгельм II, Гитлер — так Гитлер, Гинденбург — так Гинденбург. Все немцы. Нам-то что? Мы иностранцы, нас все это не касалось так, как касалось немцев». Весной 1937 г. полпредство СССР в Германии неожиданно отказалось продлить ученому и его жене заграничные паспорта. Нужно было возвращаться в Москву. Но к тому времени Тимофеев-Ресовский уже знал о судьбе двух своих братьев — оба были арестованы. Да и коллеги, жившие в СССР, прямо предостерегали ученого от возвращения на Родину. Все же отказываться от такой возможности Тимофеев-Ресовский не стал — он просто оттягивал момент возвращения. «А потом началась война, уже нельзя было возвращаться, даже при полном желании, — вспоминал он. — Остался в качестве вражеского иностранца там. Меня особенно не тревожили. Я так долго уже прожил в Бухе, все меня знали, полиция меня тоже знала. Когда стало известно, что иностранцы, которые живут в Германии, должны каждую неделю появляться в своем полицейском участке, чтобы зарегистрироваться, что они существуют, никуда не делись, никуда не убежали, я через неделю появился в Бухе в полиции. Начальник полиции, какой-то майор или подполковник полицейский, услышав, что это я, вышел из своего кабинета, поздоровались, он меня к себе утащил в кабинет, предложил чашечку кофе и сказал: „Знаете, герр доктор, ведь вы нас давно знаете, давно здесь живете, мы вас тоже давно знаем. Ну, что вам таскаться к нам. Я вам птичку буду ставить каждую неделю — и все“. Так больше я и не появлялся в полиции. Ставили мне птичку рукою самого начальника полиции».
Тем не менее безучастным к борьбе с нацизмом ученый не остался. Он активно помогал людям, скрывавшимся от преследований режима, снабжал их документами, принимал на работу в свой институт. Старший сын Николая Владимировича Дмитрий был арестован гестапо в 1943 г. за участие в подпольной организации. Когда Тимофееву-Ресовскому предложили разработать и возглавить программу стерилизации славян радиацией в обмен на жизнь сына, он резко отверг это предложение. Дмитрия отправили в концлагерь Маутхаузен, где он основал новую подпольную группу и был расстрелян 1 мая 1945 г.
В апреле 1945 г., когда фронт вплотную приблизился к Берлину, ученому предложили перевести институт на запад Германии, в зону будущей американской оккупации, но Тимофеев-Ресовский решительно отказался. После освобождения Берлина советская военная администрация города назначила Николая Владимировича директором Института исследований мозга в Бухе. Но продолжалась его работа в этой должности очень недолго. Уже 13 сентября 1945 г. ученый был арестован опергруппой НКВД и этапирован в Москву.
Во время допросов у Тимофеева-Ресовского настойчиво выясняли, шпионом какой страны он является. В конце концов Николай Владимирович «сознался», что работал в пользу… Чили. Впрочем, абсурдность этого признания никого не смутила, и 4 июля 1946 г. Военная коллегия Верховного Суда РСФСР приговорила ученого к 10 годам лагерей за измену Родине. Срок он отбывал в тюрьмах Москвы, где быстро заставил себя уважать яркими лекциями по биофизике, которые он читал сокамерникам, и… отличным знанием восточных боевых искусств.
В 1947 г. о Тимофееве-Ресовском как о бесценном специалисте по радиационной генетике вспомнили в связи с разработкой советского атомного проекта. Его отвезли в больницу МВД, где «подлатали», а затем отправили в Челябинскую область. Там заключенного назначили главой «шарашки» — закрытой лаборатории, носившей кодовое наименование «Объект 0211». Условия для работы были отличными, к Николаю Владимировичу приехала жена, но заключенным он оставался тем не менее до 1951-го. Судимость с него сняли только через три года.
После освобождения Тимофеев-Ресовский возглавил лабораторию биофизики в Институте биологии Уральского филиала АН СССР. Его семинары по общим проблемам биологии и биофизики быстро стали популярными как среди научной молодежи, так и среди крупных специалистов. Биостанция Большое Миассово в Ильменском заповеднике, где проходили летние семинары, стала настоящим местом паломничества среди биологов, физиков, математиков, химиков. Но несмотря на высочайший авторитет ученого, докторскую диссертацию он смог защитить только в 1963 г., а диплом получил годом позже.
С 1964 г. Николай Владимирович работал в Институте медицинской радиологии Академии медицинских наук СССР в Обнинске, где возглавлял отдел общей радиобиологии и генетики. Через четыре года по ложному доносу его сняли с работы. Больнее всего Тимофеева-Ресовского ранило то, что донос был написан его учеником…
Последние 11 лет жизни Николай Владимирович работал в Москве, в Институте медико-биологических проблем Министерства здравоохранения СССР, участвовал в разработке программы биологических экспериментов на искусственных спутниках Земли, готовил молодых космобиологов.