1941年（民国三十年），王应睐受聘于剑桥大学Dunn营养实验室，继续从事维生素研究。他和Moore在国际上首先发现合成的纯维生素A过量时有毒性，在英国生物化学杂志上发表了《维生素A过多症》一文，引起各国学者的重视。

1943年（民国三十二年），王应睐到剑桥大学Molteno研究所，在国际著名生化学家D凯林教授（Keilin）领导下工作，对血红蛋白的研究取得了突出的成果。

1945年（中华民国三十四年），王应睐乘船取道印度回国，被南京中央大学医学院聘请为生化教授。

1948年（民国三十七年），王应睐应林可胜和冯德培的邀请离开中央大学到上海的中央研究院医学研究所筹备处担任研究员，从事氨基酸代谢与维生素的关系及酶研究。

1950年，中国科学院生理生化研究所成立，王应睐担任该所的研究员兼副所长。

1955年，在布鲁塞尔举行的第三届国际生化大会上，王应睐宣读了研究的论文。

1958年，王应睐加入了中国共产党，同年被任命为中国科学院生物化学研究所所长。

1963年，他担任人工合成胰岛素协作组组长，组织协调与中国科学院有机化学研究所、北京大学的合作。

1965年9月，王应睐领导中国科学家在世界上首次成功合成牛胰岛素。

1977年起，又挑起了整个科研工作的协作组组长的重担，在制定各单位分工，确定酶法合成与化学合成的关系等方面起了重要的作用。

1978年，协作组成立了RNA连接酶制备、长片段连接和活力测定三个研究组，大大加快了步伐，终于在1981年完成了世界上第一个人工合成的转移核糖核酸。

1981年，王应睐领导中国科学家获得了世界上第一个人工合成的转移核糖核酸。

1984年，王应睐退居二线，担任上海生物化学研究所名誉所长，他还领导一个课题组，并亲自选定方向，对近年来国际上分子生物学中的前沿课题——酶与核酸的相互作用开展研究。

1987年，在王应睐的积极倡导下，召开了由中国生物化学学会组织的国际生化会议（IMB）。王应睐作为会议的主席，在确定大会报告人，邀请国外学者参加等工作中起了主导作用。

2001年5月5日19时10分，逝世于上海，享年93岁。

王应睐所建立的维生素B1的硫色素荧光测定法，能够简便准确地测定食品以及尿等生物样品中的维生素B1含量，对于缺少精密仪器的实验室起了重要的作用。王应睐完成了4种不同水溶性维生素微量测定法。王应睐还建立了其他B族维生素的测定方法以及维生素C的电位滴定法。

1943年，在国际著名生化学家D凯林教授（Keilin）领导下工作，对血红蛋白的研究取得了突出的成果。王应睐提供完整的实验证据，证明豆科植物根瘤中含有血红蛋白。这一发现有助于从生物化学的角度来解释生物进化学说，并且促进了对豆血红蛋白在根瘤固氮中的作用的深入研究。王应睐还提纯与结晶了寄生在马胃中的马蝇蛆的血红蛋白，并且研究了它的性质，阐明了在不同生活条件下血红蛋白的性质与功能的关系。

20世纪50年代，王应睐对琥珀酸脱氢酶的分离纯化，辅基鉴定以及辅基与酶朊连接方式进行了系统的研究。琥珀酸脱氢酶是生物体呼吸链上一个重要组分，1950年他就观察到鼠肝组织中琥珀酸脱氢酶活力与核黄素的摄取量密切相关。但是这个酶与具有脂双层结构的线粒体膜结合得比较密切，难于溶解下来而提纯。经与邹承鲁、汪静英等反复实验，最后采用正丁醇抽提法，成功地把琥珀酸脱氢酶从线粒体膜上溶解下来，得到了高纯度的水溶性琥珀酸脱氢酶，而且其活力比同期国外报导者高出1倍以上。然后，王应睐和同事们对琥珀酸脱氢酶的性质又进行了深入的研究，证明它是一种含有异咯嗪腺嘌呤二核苷酸和非血色素铁的酶，酶的蛋白部分与异咯嗪腺嘌呤二核苷酸是以共价键结合的，在酶研究中，这是第一个被发现以共价键相结合的异咯嗪蛋白质。这项工作处于当时酶学研究的世界领先水平。他是人工合成胰岛素工作的主要组织者之一，在整个工作过程中，他参与制定合成方案，调配力量。

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在培养人才上，王应睐倡导的一个成功的做法是举办高级生化训练班。中华人民共和国成立前大学里没有设立过生化专业，建院初期来所的青年科研人员几乎都是化学系毕业的，没有经过生化的基本训练。王应睐参照他当年在剑桥的经验，举办了高级生化训练班，既系统讲授生化的最新知识，又强调提高动手能力，掌握研究方法，选了一系列经典的研究实验，让学员动手去做，从中学习生化大师是怎样做研究的。训练班的对象，开始主要是所内青年科研人员，以后应全国各地要求，于1961年举办了一次大型的训练班，有400多人参加。当年的学员中有许多人现在成了有关单位生化科研和教学的骨干。1979年又在沪、杭两地同时举办了一次大型训练班，参加者达500人。这种集中培训的方式，对于学员系统掌握生化的最新知识，打下扎实的生化基础，用以从事研究或教学，实践证明是一种良好的方法。如学生：陈善明、杨光圻。

2023年5月6日，为纪念王应睐的学术贡献，国际天文学联合会批准将编号为三五五七零四号的小行星正式命名为“王应睐星”。

九三学社第四、五、六届中央委员会委员，第七届中央委员会常委。他还曾担任过第三、五、六届全国人大代表。

1961-1966年，王应睐担任上海生化学会理事会主席。

1979-1987年，任中国生化学会理事长，后任名誉理理长。

1948—1949年，任中央研究院医学研究所筹备处研究员。

1950—1958年，任中国科学院生理生化研究所研究员兼副所长。

1958—1984年，任中国科学院生物化学研究所(后改称上海生物化学研究所)研究员兼所长。

1978—1983年，任中国科学院上海分院和上海科学院院长。

1984—2001年，任中国科学院上海生物化学研究所研究员兼名誉所长。

王应睐先生热爱祖国、淡泊名利，为创建创新型国家而努力奋斗。（中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所评）

应睐先生为人谦和敦厚，有种儒家的学者风范；他心怀祖国生化事业，建国初期，国内各产业百废待兴，科技事业更是一派凋敝景象，在王应睐先生的努力下，先后引进了邹承鲁、曹天钦、钮经义等杰出人才。（戚正武院士评）

王应睐先生不仅极大推动生化与细胞所的科学事业发展，更为新中国的生化科学事业发展作出了杰出的贡献。“（林其谁院士评）

2007年11月12日，生物化学家王应睐院士百年诞辰暨纪念铜像揭幕仪式在岳阳路320号举行。该活动由中科院上海生科院生化与细胞所、王应睐基金会、九三学社市委共同主办。