В 1930-х годах из четверых братьев Тимофеева-Ресовского трое были арестованы. В 1934 году был арестован Борис, причина и дата его смерти неизвестны, 1 мая 1937 был арестован Владимир, расстрелян 28 февраля 1938 года, тогда же в 1937 году был арестован Виктор, который до 1939 года находился в ссылке. К тому же и с более весомыми фигурами, например, Н. И. Вавиловым, особенно не церемонились. Весной 1937 года советское консульство отказалось в очередной раз продлевать Тимофеевым-Ресовским паспорта тем самым настоятельно предлагая им вернуться в СССР. Однако, по словам Николая Владимировича, Н. К. Кольцов предупредил его, что по возвращении их скорее всего ждут «большие неприятности». А. Г. Мёллер передал ему из СССР записку от Н. И. Вавилова, что там его ждёт тюрьма или что-то похуже.
И в 1937 году, в самый разгар чисток на родине ученый принял решение не возвращаться в СССР и за что его лишили гражданства. Вполне вероятно, именно это решение спасло ему жизнь.
Нацистский режим даже с нападением на Советский Союз не принял никаких особенных мер в отношении руководителя отделения генетики Института мозга. Во многом это было следствием хороших отношений Николая Владимировича с научной элитой Германии многие его просто прикрывали, не видя угрозы режиму. Он был знаком с разными ботаниками и зоологами, он дружил с учеными и инженерами, задействованными в нацистском атомном проекте. Учёный курировал в институте программу радиационного мутагенеза, а уже с конца 30-х годов у нацистов интерес к атомной проблеме определенно вырос. Н. В. Тимофееву-Ресовскому даже подарили генератор быстрых нейтронов для продолжения опытов над дрозофилами. Так как Николай Владимирович отказался вернуться в Советский Союз и продолжал жить и работать в гитлеровской Германии, то он был осуждён в СССР за измену Родине как невозвращенец.
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.