С 1932 года работал в различных научно-исследовательских институтах АН СССР. В 1935 году Дубинину была присуждена ученая степень доктора биологических наук без защиты диссертации, в этом же году он был утвержден в ученом звании профессора по специальности «генетика». 4 декабря 1946 года был избран членом-корреспондентом АН СССР (с 1991 – РАН). Н. П. Дубинин является основателем Института цитологии и генетики, директором которого он был в 1957—1959 годах, с 1966 года — директор Института общей генетики АН СССР.
Областью научных интересов Н. П. Дубинина была общая и эволюционная генетика, а также применение генетики в сельском хозяйстве. Вместе с А. С. Серебровским показал дробимость гена, а также явление комплементарности гена. Опубликовал ряд важных научных работ по структуре и функциям хромосом, показал наличие в популяциях генетического груза — летальных и сублетальных мутаций. Также работал в области космической генетики, над проблемами радиационной генетики. Дубинин – крупнейший ученый в области общей и молекулярной генетики, исследования строения гена и структурных мутаций, проблем мутагенеза и мутагенов среды, популяционной и эволюционной генетики. Он стоял у истоков формирования отечественной экологической, радиационной и космической генетики. Его привлекали история науки, философские проблемы генетики, социальные и биологические аспекты человека.
Указом Президента СССР от 16 октября 1990 года за особый вклад в сохранение и развитие генетики и селекции, подготовку высококвалифицированных научных кадров академику АН СССР Дубинину Николаю Петровичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот».
Дубинин был избран членом многих иностранных академий и научных обществ: Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина» (1958), Почетным членом Общества генетиков Великобритании (1965), иностранным членом Югославской академии наук и искусств (1965), иностранным членом Американской академии искусств и наук в Бостоне (1967), иностранным членом Национальной академии наук США (1969), иностранным членом Польской академии наук (1974). Его вклад в науку был отмечен наградами научных обществ зарубежных государств: за заслуги в развитии эволюционной теории и генетики медалью Ч.Дарвина (Германская академия естествоиспытателей «Леопольдина», 1959), серебряной медалью имени Г.Менделя «За заслуги перед наукой и человечеством» (Чехословацкая академия наук, 1965), серебряной медалью имени Л.Пастера (Институт Пастера, Франция), памятной медалью Монгольской академии наук (1979).
Скончался 26 марта 1998 года.