1948年（中华民国三十七年），当选中央研究院院士；同年，应美国洛氏基金会邀请到美国耶鲁大学任客座研究员，于1949年3月回到国立山东大学。

　　1949年3月，中国即将解放前夕，童第周拒绝了耶鲁大学的高薪挽留，克服了种种阻力，在迎接新中国成立的隆隆炮声中，再次回到了国立山东大学；同年6月2日，青岛解放，童第周应“中华全国科学工作者联合会筹备会”的邀请到北京参加筹委会会议，利用这个机会，他找到中国科学院筹建组领导竺可桢教授，迫切地向他提出了建设中国海洋研究机构的设想。

　　1950年，他授聘兼任中国科学院实验生物研究所副所长和中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室主任，开始筹建新中国第一个海洋科学研究机构——中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室（中国科学院海洋研究所的身）。

　　1951年，任山东大学副校长。

　　1952年8月30日，加入中国民主同盟。

　　1955年，当选为中国科学院学部委员（现称院士）并任生物地学部副主任。

　　1956年，童第周等海洋科学家参与制定的“中国海洋综合调查及开发方案”作为国家重点科学技术任务之一，被列入《1956～1967年国家科学技术发展远景规划》和《1963～1972年国家科技十年规划》。

　　1957年，任中国科学院海洋生物研究所所长，1959年该所扩建为中国科学院海洋研究所，他仍任所长。

　　1960年，中国科学院生物地学部分为生物学部和地学部，他任生物学部主任兼任中国科学院动物研究所研究员。

　　1977年，出任中国科学院动物研究所细胞遗传学研究室主任、副所长、所长。

　　1978年，任中国科学院副院长；同年，在全国科学大会上，被授予全国科学技术先进工作者称号。

　　1979年3月6日，在杭州浙江科学大会上为浙江省2000多名科技、教育和卫生领域的科研人员做报告时，过度劳累的童第周心脏病发作，晕倒在讲台上；同年3月30日，于北京病逝。