После Октябрьской революции Н.Д. Зелинский продолжил не только научную, но и педагогическую деятельность.

Рабочий день Зелинского был очень напряженным. С утра он читал лекции, проводил лабораторные занятия со студентами, давал многочисленные консультации инженерам и работникам.

Зелинский был крупным ученым и педагогом, страстным пропагандистом химической науки. На базе его лабораторий создавались новые научные учреждения. Он провел огромную работу по созданию Института органической химии в системе Академии наук. Ныне этот институт носит имя Н.Д. Зелинского.

В 1934 году научная общественность страны широко праздновала 50-летие научной деятельности Зелинского. Комитет по химизации присудил ученому премию.

В эти же годы Зелинский организовал и возглавил химический сектор Всесоюзного института экспериментальной медицины им. А.М. Горького. Провел исследования по синтезу стимуляторов роста и впервые синтезировал гормоны.

Исследования по выявлению роли ферментов в протекании жизненно важных процессов и природы этого явления стали одними из наиболее заметных работ Зелинского. При исследовании природы действия ферментов он нашел много общего между ними и неорганическими катализаторами. Это дало возможность разработать новый метод гидролиза, в основе которого лежит катализ гидролитического распада макромолекулы белка на составляющие его аминокислоты в присутствии слабых кислот при длительном нагревании в автоклаве.

Н.Д. Зелинский в 1927 году впервые доказал присутствие в составе белка дикетопиперазина, наличие которого многими приписывалось вторичным процессам циклизации при каталитическом гидролизе белка.

29 марта 1941 года в Доме ученых в Москве состоялось торжественное заседание, посвященное 80-летию со дня рождения Зелинского. За выдающиеся заслуги в разработке научных проблем по органической химии Зелинскому вручен орден Трудового Красного Знамени.

22 июня 1941 года началась Великая Отечественная война. Н.Д. Зелинский с группой ученых был эвакуирован в Северный Казахстан. За достижения в области получения моторного топлива он был награжден вторым орденом Трудового Красного Знамени.

В сентябре 1943 года Зелинский вернулся в Москву и приступил к своим многочисленным обязанностям.

В 1946 году Зелинскому исполнилось 85 лет. Он был награжден третьим орденом Ленина. За разработку нового метода получения ароматических углеводородов Зелинский был удостоен Государственной премии второй степени.

Работы Зелинского составили целую эпоху в истории органической химии. За выдающиеся заслуги в области науки в связи 90-летием со дня рождения и 65-летием научно-педагогической деятельности ученый был награжден четвертым орденом Ленина.

Осенью 1952 года здоровье Н.Д. Зелинского резко ухудшилось, и 31 июня 1953 года его не стало. Ушел из жизни крупнейший ученый. Его работы вошли в золотой фонд отечественной и мировой химии. В истории развития органической химии нет другого ученого, кроме А.М. Бутлерова, чье влияние было бы столь всесторонним и плодотворным.