1941年初夏鼐回国后，任中央博物馆筹备处专门委员。1943年转入中央研究院历史语言研究所任副研究员，1946年升任研究员。这期间，他和向觉明、阎文儒等组织西北科学考察团，调查、发掘敦煌的佛父庙、月牙泉、玉门关，宁定的阳洼湾，民勤的沙井，武威的喇嘛湾，临洮的寺洼山，兰州的方坪、中山林、太平沟、十里店等遗址和墓地。在发掘阳连湾齐家文化墓葬时，他在墓坑填土中发现仰韵文化的彩陶片，从地层学上确认仰韶文化的年代比齐家文化早，从而纠正了瑞典学者安特生（J．C．Anderson）关于甘肃新石器时代文化分期问题的错误论断，为建立黄河流域新石器时代的正确年代序列打下基础。1944年春，去青海发掘新石器时代遗址，接着去张掖城西墓葬遗址发掘汉墓群。经过山丹县调查南古城，由此入祁连山，在返武威途中，前往南山吐谷浑国王墓。由武威北上民勤县时，欣闻抗战胜利，夏鼐感慨地说：“吾等行遍河西四郡，可归矣！”
1949年秋，夏鼐一度在浙江大学任教授。1950年夏，中国科学院考古研究所成立，任副所长。他组织一个发掘队前往河南辉县，发现早于安阳殷墟的商代遗迹，从地域上和年代上扩大对商文化的认识。1951年春，在渑池县仰韵村遗址再发掘，他指出该遗址不仅有仰韶文化的遗存，也有龙山文化的遗存。同年秋，赴湖南庆沙发掘战国和两汉的墓葬。夏鼐非常重视田野发掘工作，认为这是考古研究的基础，并注重考古人才的培养。1952年至1955年，与相关单位联合举办4期全国考古人员训练班。他亲临实习现场，讲授田野调查发掘方法。西安附近的新石器时代半坡遗址，便是第三届训练班实习时开始发掘的。1956年至1958年他主持发掘北京昌平县境内的明定陵。亲自参加具体操作，常终日深入地下的玄宫内发掘。
1959年3月，夏鼐加入中国共产党。1962年春，任中国科学院考古研究所所长。1965年考古研究所建成碳14实验室。后来他根据大量的测定数据，写成《碳14测定年代和中国史前考古学》的论文，就中国各地新石器时代文化的年代序列作全面、系统的研究，得出可靠的结论。1974年以后，又对长沙马王堆汉墓、广州象岗南越王墓和偃师尸乡沟商城、北京玻璃河燕国墓地等项发掘进行现场指导。并主编《考古学报》、《考古》和《考古学集刊》三种刊物。主持《中国大百科全书·考古学》的编纂，全书共收录1000多条目，200余万字，国内外专家誉为中国考古学又一硕果。后任中国社会科学院副院长、中国科学院哲学社会科学部学部委员、国务院学位委员会委员、中国考古学会理事长。1979年4月他把长期积蓄起来的3万元人民币，设立“中国社会科学院考古研究所考古学研究成果奖金”，鼓励考古工作者积极从事研究。1983年，夏鼐被文化部任命为国家文物委员会主任委员。他深有体会地说：只有贯彻执行《中华人民共和国文物保护法》，中国的考古事业才能更加发展！
1974年至1985年间，夏鼐先后被授予英国学术院（B．A．）通讯院士、德意志考古研究所（DAI）通讯院士、瑞典皇家文学历史考古科学院（RAILHA）外籍院士、美国国家科学院（NAS）外籍院士、第三世界科学院（TWA）院士、意大利近远东研究所（ISMEO）通讯院士等称号，成为我国学术界接受外国国家级、最高学术机构荣誉称号最多的学者。
夏鼐十分重视国际学术交流，接待过来自世界许多国家的考古学者和代表团。曾接受邀请到日本、泰国、巴基斯坦、伊朗、意大利、阿尔巴尼亚、罗马尼亚、英国、法国、瑞士、德国、瑞典、美国、秘鲁、墨西哥等国家去考察、讲学或参加国际会议。以其渊博的学识、谦逊的态度而赢得信誉。
夏鼐一直念念不忘故乡的文化建设。1947年返温探亲。曾去城郊＊岙寻觅“义家”碑碣，登西山勘察宋代西山窑故址，去海坛山探访叶水心墓。将自己珍藏的《古史辩》、宋宝*四年（1256年）“叶德安圹志”碑石，及亲手推拓的碑文，一并赠送籀园图书馆。解放前夕，他在海坛山麓的海神庙戏台下，发现一块北宋元丰三年海神庙碑，碑已裂残数段，经过他的排列研究，碑文尚可识读。他在北京常搜集温州乡邦文献，至今，温州图书馆还珍藏他寄赠的英国传教士苏慧廉撰写的《一个传道团在中国》（AMissioninChina）及苏威廉大人洛茜撰写的《走向中国》（APassporttoChina）两厚册英文版。他还手书一份《温州先哲著述见存书目》，交温州文管会保存。并校注元代温州人周达观著述的《真腊风土记》，与张一纯合著《叶水心年谱》。他每次返温，总是对家乡的文物、古迹的保护提出建设性的意见。1984年，温州被国务院列为全国首批沿海14个对外开放城市之一，他欣然赋《忆故乡温州》诗一首：“故园自有好河山，羁旅他乡两鬓斑。昨夜梦中游雁荡，醒来犹觉水潺潺。”
1985年6月19日夏鼐在北京逝世，终年76岁。他公开发表的学术论著共有220余种，编集为专书的有《考古学论文集》、《考古学和科技史》、《中国考古学研究》、《汉代的玉器和丝稠》（英文）和《中国文明之起源》（日文）等。
为缅怀夏鼐的功绩，中国社会科学院和他的母校温州中学，分别在其生前办公室和校史馆前的庭园为其塑立铜像，以供后入瞻仰。
