С января 1943 по сентябрь 1944 г. был профессором кафедры гистологии Московского университета и руководил лабораторией общей физиологии в Институте цитологии, гистологии и эмбриологии АН СССР. В 1943 г. избран членом-корреспондентом АН СССР и в этом же году (совместно с В.Я. Александровым) стал лауреатом Государственной премии СССР за монографию «Реакция живого вещества на внешние воздействия». В сентябре 1944 г. вернулся в Ленинградский университет и восстановил свою лабораторию. В 1945 г. организовал кафедру общей и сравнительной физиологии и возглавил Отдел общей морфологии ВИЭМа. В этом же году избирается действительным членом Академии медицинских наук. С 1948 по 1950 г. был директором ВИЭМа. В 1951 г. возглавил лабораторию общей и клеточной физиологии при Зоологическом институте. В 1957 г. основал и возглавил Институт цитологии АН СССР, руководил работой лаборатории физиологии клетки, организованной в составе Института.
Дмитрий Николаевич показал участие комплекса Гольджи в клеточной секреции и экскреции. Предложил понятие паранекроза, сформулировал белковую теорию повреждения и возбуждения (совместно с советским цитологом В. Я. Александровым). Развивая взгляды Н. Е. Введенского на природу возбуждения, доказал единство функциональных и структурных изменений при парабиозе и разработал теорию проведения нервного импульса.