В этом же году он защитил кандидатскую диссертацию (которая была написана еще до учебы), в которой изложил результаты исследования проблемы кризиса кипения при свободной конвекции жидкости. Через два года последовала защита докторской диссертации, обобщающая итоги исследования теплообмена в двухфазных средах. Середина 50-х гг. XX в. становится для С.С. Кутателадзе временем всеобщего признания научных заслуг. Курс лекций, который он читал в Военно-морской академии им. А.Н. Крылова, в 1954 г. был оформлен в книгу «Основы теории теплообмена», которая выдержала несколько изданий в СССР и опубликована за рубежом. В этом же году ученый утвержден в звании профессора по специальности «Физическая теплотехника», назначен начальником физикотехнического отдела ЦКТИ.
В завершающем ленинградский период 1958 г. он опубликовал уже упомянутую монографию «Жидкометаллические теплоносители», которая подвела своеобразные итоги исследований по атомной тематике, а также вместе с коллегами представил доклад по этой проблеме на II Международную конференцию по мирному использованию атомной энергии в Женеве. Опубликованы монография «Гидравлика газожидкостных систем» (в соавторстве с академиком М.А. Стыриковичем), серия статей в ведущих отечественных журналах. Таким образом, в 1940–1950-е гг. С.С. Кутателадзе мощно заявил о себе как об ученом, по инициативе которого были начаты исследования в актуальных разделах теплофизики и теплотехники.
Оборотной стороной успешной деятельности С.С. Кутателадзе стало неприятие его некоторых концепций оппонентами из числа московских теплоэнергетиков. Инициатором дискуссии выступил член-корреспондент АН СССР Г.Н. Кружилин, разногласия с которым по проблеме кризиса кипения возникли еще во время защиты докторской диссертации Самсона Кутателадзе. Он был слишком талантлив и слишком молод (доктор технических наук в 38 лет!!!) Тучи не замедлили сгуститься … В дирекцию ЦКТИ поступило заявление от Кружилина, в котором было написано, что теоретические разработки С.С. Кутателадзе являются проявлением
Так начался новый период в жизни Самсон Семеновича — работа по созданию первого специализированного Института теплофизики в Сибири — первого в мировой практике.
Сам Самсон Семенович говорил, что разделяет на 3 разных по продолжительности, но равных по значению для формирования его как личности этапа: работа в ЦКТИ, служба в армии и работа в Сибирском отделении.
С.С. Кутателадзе был принят на работу в ИТ в конце 1958 г., президиум СО АН СССР утвердил его в должности замдиректора института 7 января 1959 г., президиум АН СССР — 11 декабря 1959 г. Самсон Кутателадзе с воодушевлением воспринял это назначение, поскольку отчетливо понимал, что «развитие теплофизики требовало совершенно иных масштабов и качества исследований», нежели в отраслевых учреждениях. Новый институт он видел учреждением, проводящем на современном уровне исследования по проблемам гидрогазодинамики, энергетики, турбулентности, тепломассообмена. Феномен Кутателадзе состоял в глубине его научной интуиции и способности определить задачи на перспективу. Эти качества, по современным оценкам, объяснялись тем, что ученый «прошел ленинградскую школу … интеллектуального центра, где он общался с людьми уровня нобелевских лауреатов».
Первым поручением для С.С. Кутателадзе в новой должности стала задача концептуального оформления одного из основных научных направлений ИТ и подбора специалистов в европейской части страны. Дали согласие на работу в ИТ уже известные специалисты из Москвы А.И. Леонов и Е.М. Хабахпашева, которых радовала перспектива работы в первом в мире специализированном Институте теплофизики.