1960年2月，再次赴前苏联留学，在列宁格勒加里宁工学院攻读研究生。

1962年12月，博士研究生毕业，获得副博士学位（前苏联的高等教育学历制度）。

1963年1月，在清华大学任教，担任讲师（1963年1月至1969年1月）。1968年，到江西省乡下劳动（至1969年）。

1978年1月，担任清华大学燃气轮机教研组主任、热能工程系主任、汽车工程系主任（至1988年01月）。

1987年8月，倪维斗作为对国家有突出贡献的14名中青年科学家之一应邀到北戴河休养，受到了邓小平等中央领导同志的接见。

1988年1月，担任清华大学副校长（至1994年1月）。

1990年，被授予俄罗斯荣誉科学博士。

1991年，被选为国际高校科学院院士。

1994年1月，担任清华大学校务委员会副主任（至1998年1月）。

1998年1月，担任清华大学热能工程系教授。

1999年12月，当选中国工程院院士，隶属于能源与矿业工程学部（热能动力工程）。

2000年，担任上海杉达学院校长（至2004年）。

2017年4月28日，倪维斗院士报告会暨传记赠书仪式在上海南洋模范中学音乐厅举行。

倪维斗长期从事热力涡轮机系统和热动力系统动态学方面的研究。他全面系统地发展了复杂热力系统及其关键部件的先进建模方法和一系列新的控制策略；在建立大型火电机组性能与振动过程在线监测与诊断系统中做出了重要创新性成果；解决了先进燃气轮应用中的关键问题；率先研制了燃气/蒸气联合循环的仿真装置；对先进燃气轮机的消化、吸收、应用、推广发挥了核心、组织和指导作用。

倪维斗长期研究和关注中国能源的可持续发展与节能问题。针对中国以煤炭为主要一次能源的国情，提出了以煤气化为核心的多联产能源战略是解决未来经济、环境和能源可持续发展的必然出路的观点，并在国内外大力倡导多联产战略的研究和实施。对中国再生能源的发展也进行了研究，如：用特许权方法发展风能，用配额制促进再生能源的市场发育，在农业大省推广秸秆气化用于炊事、采暖和小型发电等。他还大力推进燃气轮机在中国的研究、开发和应用。

截至2006年，倪维斗获得国家科技进步二等奖，国家教委、电力部科技进步一、二等奖，及其部委级奖多项。

截至2017年，倪维斗出版专著、合著教材15部，共发表论文200余篇。

截至2012年，倪维斗从教以来培养了硕士、博士以及博士后四十余名，其中指导的博士生于文虎当选为中国工程院院士（1999年当选）。

对于博士生的教育，倪维斗指出，所谓“有博有深，中博中深，不博不深”，一名博士生必须做到“广博”才能有“深度”，没有知识上的宽广面，思路上就容易狭窄，也就无法进行深入的研究。对创新人才的培养，倪维斗认为，一方面与教育机制有关，中国中小学教育和高等院校的教育在培养学生的创新性方面很欠缺；另一方面，受到中国工业发展阶段的影响，目前中国企业大多数看别人做什么就跟着做什么，相对于直接从事模仿而言，并不愿意冒风险投入研发创新，所以企业对大学毕业生的创新能力并没有普遍的需求，也并不太看重和鼓励其创新能力的培养，也就是整个社会在目前的工业发展阶段一定程度上遏制了创新。

2022年8月13日，在“第二十届中国科学家论坛”上，作了题为《创新驱动发展中国先进煤电技术》的专题报告。

2023年1月，参加北京卫视《大先生》节目。

2024年1月1日晚21:00，参加“2024科学跨年之夜”节目。

倪维斗是中国能源动力行业的著名专家，长期对国家能源战略和政策的制订，能源动力领域的重大科研项目规划、立项和审批提供咨询意见。 （西安交通大学评）

倪维斗在复杂热力系统建模及动态特性等方面做出重要成果，他为促进中国能源科技事业的发展作出了突出的贡献。（清华大学评）

清华校友倪维斗院士奖学励学基金

2011年10月13日，清华校友倪维斗院士奖学励学基金设立，是清华大学热能工程专业的7位校友征得倪维斗院士本人同意，发起并捐赠300万元。基金收益用于奖励清华大学热能系及清华大学其他能源领域的学习努力、全面发展的优秀学生和在上述专业领域作出重要成果的杰出青年学者。

关于生物质能的利用，倪维斗院士认为，生物液体燃料应用的几个重要指标包括：全生命周期能量转换系数，与此相关的全生命周期二氧化碳排放；土地的利用（单位输出所需土地大小，对土地的质量要求，如盐碱程度），单位土地的产出；粮食安全（包括饲料）与生态评估；生物多样性；森林保护及水的利用。有关替代能源的四个尺度：国情尺度、份额尺度、时间尺度和经济尺度。