Через год работы в генетической лаборатории Института экспериментальной биологии, изучая механизмы проявления генов, Николай Владимирович пришёл к выводу, что единичная мутация может вызывать множественные изменения во внешнем облике организма.
Результатом этого явилось впервые введённое им в радиобиологии понятие «радиобиологический парадокс» обозначающее несоответствие между ничтожным количеством поглощённой энергии ионизирующего излучения и крайней степенью реакции биологического объекта. Одновременно с введением этого понятия в 19201930-х годах В. Н. Тимофеев-Ресовский предложил защищать врачей-рентгенологов свинцовыми фартуками.
В 1925 году он был рекомендован Н. К. Кольцовым и Н. А. Семашко для работы у Оскара Фогта, занимавшегося изучением мозга В. И. Ленина, в его лаборатории исследования мозга при Нейробиологическом институте в Берлине. История с затянувшейся немецкой командировкой Николая Владимировича началась со смерти Владимира Ленина, 21 января 1924 года, когда 31 декабря был приглашен О. Фогт известный ученый, занимающийся морфологией нервной системы человека. Позже, под его началом появился Московский филиал Берлинского института мозга, который в дальнейшем трансформировался в Государственный институт мозга Ленина при Ученом комитете ЦИК СССР. Деятельность Института со временем была строго засекречена. В дальнейшем, после исследования микротомических срезов серого вещества Ленина вдоль и поперёк («Препарат 1»), учреждение было переименовано в Институт мозга АМН СССР со значительным расширением функционала и объектов исследования.
О. Фогт, откровенно симпатизировавший Советской России, в первые же месяцы исследований обнаружил, что в мозге Ленина пирамидальные клетки встречаются несколько реже, но они значительно большего размера, чем на препаратах рядового мозга. Эти данные были интерпретированы в пользу гениальности вождя. Ещё в Москве О. Фогта захватила мысль об организации генетических исследований в Берлинском институте мозга Общества кайзера Вильгельма. После консультаций с ведущим советским биологом Николаем Кольцовым, О. Фогт пригласил с собой в Берлин молодого и талантливого Николая Тимофеева-Ресовского, который не сразу согласился на дальнюю поездку. Позже он говорил о причинах согласия так: «русские обыкновенно ездили учиться чему-нибудь за границу, а меня приглашают не учиться, а наоборот, учить немцев. Это случай такой выдающийся, и Кольцов, и Семашко (народный комиссар здравоохранения РСФСР) меня уговорили». К тому времени Н. В. Тимофеев-Ресовский уже был признан одним из ведущих специалистов по мутагенезу, он с группой генетика Сергея Четверикова изучал влияние радиоактивности на мутационную изменчивость дрозофилы, а также оценивал естественные мутации в диких популяциях.
Кроме чисто профессиональных качеств, современники отмечали в манерах Тимофеева-Ресовского редкое благородство и бескомпромиссность. Он отлично разбирался в науке и владел двумя языками французским и немецким. Жена Тимофеева-Ресовского, Елена Александровна Фидлер, была в отдаленном родстве с самим Иммануилом Кантом. Супруга тоже была биологом и по мере сил помогала мужу в научных исследованиях в Институте экспериментальной биологии под руководством профессора Николая Кольцова.
В 1925 году пришло официальное приглашение Общества содействия науке кайзера Вильгельма на имя Н. В. Тимофеева-Ресовского, и он с женой и сыном Дмитрием отправился за границу. Несмотря на плачевное состояние Германии конца 20-х начала 30-х годов, командировки и исследования щедро оплачивались. Чего нельзя было сказать о Советском Союзе: только единицы исследователей могли себе позволить общаться с мировой научной элитой.
Вначале Николай Владимирович работал научным сотрудником, но вскоре стал руководителем отдела генетики и биофизики в Институте исследований мозга в пригороде Берлина Бухе. Он за счёт Общества кайзера сумел попасть на семинары Нильса Бора, которые для своего времени были настоящим мейнстримом научного мира.
Есть сведения, что подающего надежды русского исследователя в 1936 году даже приглашали в США в Институт Карнеги. Но он остался работать директором отделения генетики Института мозга в берлинском районе Бух. Нацисты его не трогали, так как не нашли у Тимофеева-Ресовского еврейских корней, а авторитет в научной среде у него тогда был достаточно высок. Да и не было пока у немцев интереса к каким-то там мутациям, вызванными радиоактивным излучением.