1945年抗日战争胜利，卫生署决定将中央防疫处迁回北平，改名中央防疫实验处。汤飞凡呈准保留昆明处作为分处。昆明大部分职工都不愿离开，仅少数原从北平来的人员"复员"回到北平。

汤飞凡1945年秋到北平，发现原防疫处址已被日军在投降前破坏，必须重建。政府不给建设经费，需自筹经费，他又得第二次白手起家，经过奔走，从联合国善后救济总署拨到几批面粉和一些剩余物质，又从美国医药援华会那里捐到一批仪器设备，用"以工代赈"的名义兴建新址。他尽量利用从旧建筑上拆下来的材料和设备，亲自审查设计图纸，并住在一间旧传达室里监督施工。他经常到工地巡视，那怕见到一根2尺长的管子也要捡起来交给监工。他的精神使承包商也很感动。新址于1945年冬开工，1947年元旦落成，共万余平方米，比旧址规模大而且有所扩展，增建了抗生素车间和研究室(中华人民共和国成立后发展成为中国医学科学院抗生素研究所)以及实验动物饲养场。

和在昆明一样，防疫处还是边建设边生产，1946年春天已恢复了牛痘苗等急需制品的生产，并支援解放区牛痘苗10万支。新址建成后又增加了青霉素、卡介苗和丙种球蛋白的生产。可是1946年6月内战全面开始。1947年防疫处新址落成不久，战争形势急剧变化，北平局势日益混乱，无法正常工作。1949年1月底北平和平解放了，防疫处改名为中华人民共和国卫生部生物制品研究所，汤飞凡继续担任所长。

人民共和国建国伊始，卫生部门最紧迫的任务是控制对人民威胁极大的传染病的流行。政府决定大规模施行预防接种，要求研究所扩大生产，保障疫苗供应。汤飞凡接受任务后，集中精力组织大规模生产和解决生产中的各种技术问题。在全所职工的努力下，制品产量1951年比1949年增加了7倍，1952年又比1951年增加了13倍。1949年10月原察哈尔省北部鼠疫流行，为了控制疫情，需大规模接种鼠疫减毒活菌苗。国内没有这种活菌苗，只好从苏联进口，仍不能满足需要。汤飞凡亲自领导一个组突击研制，只用了两个多月，就制造出菌苗900余万亳升。共和国成立后遭到西方国家的封锁，但与亚非拉国家交往很多，非洲和中美洲许多地区有黄热病流行，到这些地区的人员需注射黄热病疫苗。此种疫苗国内没有，汤飞凡用1947年从美国获得的无毒病毒株17-D，制出了活疫苗。为了扑灭天花，中国50年代就实行普种牛痘。当时这个研究所是主要的痘苗生产供应单位。因为使用了汤飞凡研究出来的乙醚杀菌法，该所在简陋的条件下迅速增加了痘苗产量，1949年底，每天产量已超过10万支，为全国消灭天花作出贡献。中国在1961年就消灭了天花，比全球消灭天花早16年。汤飞凡1950年卫生部筹划在全国建立六个生物制品研究所，并将生物制品划归国营生产，汤飞凡非常拥护这个计划，并提出一项重要建议:设立生物制品质量管理的中央机构。这个建议他早在抗日战争时期就曾向重庆国民政府提出过，但未被理会。这次他的建议被马上采纳，卫生部就委托他筹建"中央生物制品检定所"。1951年该所成立，他临时兼任所长。汤飞凡主持制定了中国第一部生物制品规范-- 《生物制品制造检定规程》 (草案)。中国从此才有了生物制品质量管理的统一体制。