После демобилизации в 1945 г. Самсон Кутателадзе вернулся в ЦКТИ, участвовал в восстановлении лаборатории по теплообмену при кипении и конденсации. Были продолжены исследования термодинамики газожидкостных систем и получены результаты, завершившиеся созданием гидродинамической теории кризисов кипения. Эта теория получила международное признание и считается одним из выдающихся вкладов отечественной науки в теорию теплообмена. В 1949 г. вышла книга С.С. Кутателадзе «Теплопередача при конденсации и кипении», а ее расширенная версия 1952 г. переведена и опубликована Атомной комиссией США.
Параллельно шла другая, не менее важная работа в Атомном проекте. В 1946 г. Самсон Кутателадзе получил предложение от сотрудников Курчатовского института организовать в ЦКТИ первую в СССР лабораторию по изучению жидкометаллических теплоносителей для атомных установок. Привлечение в Атомный проект С.С. Кутателадзе объяснял следующим образом: «Те наши работы, которые до войны некоторые мои старшие коллеги по ЦКТИ называли абстрактными и бесполезными, оказались в определенном смысле на острие термогидродинамических проблем реакторостроения».
В послевоенный период отсутствие диплома о высшем образовании стало серьезным препятствием для дальнейшего роста ученого. Долго не хотел Самсон тратить время на сдачу экзаменов для получения диплома об окончании вуза: «Ведь получил же Яков Зельдович степень доктора, а потом и академиком стал, не имея диплома об окончании вуза…» Но поняв, наконец, что в Советском Союзе, хоть ты и выполняешь исследования, которые достойны степени доктора наук, но «без бумажки (справки)» — все не действительно, он по настоянию жены Лидии поступил в Ленинградский заочный индустриальный институт. Известен почти анекдотичный случай. Когда Самсон Кутателадзе пошел сдавать экзамен по курсу «Теплопередача», который читали по его книге, преподаватель уточнил: «Вы сын Кутателадзе?», на что экзаменуемый ответил: «Нет, это я сам!». Преподаватель ничего не стал спрашивать — экзамен на этом завершился. За три года сдал экстерном все экзамены за полный вузовский курс и в 1950 г. окончил Ленинградский заочный индустриальный институт по специальности «Теплоэнергетика» и получил квалификацию инженера-теплотехника.
В этом же году он защитил кандидатскую диссертацию (которая была написана еще до учебы), в которой изложил результаты исследования проблемы кризиса кипения при свободной конвекции жидкости. Через два года последовала защита докторской диссертации, обобщающая итоги исследования теплообмена в двухфазных средах. Середина 50-х гг. XX в. становится для С.С. Кутателадзе временем всеобщего признания научных заслуг. Курс лекций, который он читал в Военно-морской академии им. А.Н. Крылова, в 1954 г. был оформлен в книгу «Основы теории теплообмена», которая выдержала несколько изданий в СССР и опубликована за рубежом. В этом же году ученый утвержден в звании профессора по специальности «Физическая теплотехника», назначен начальником физикотехнического отдела ЦКТИ.
В завершающем ленинградский период 1958 г. он опубликовал уже упомянутую монографию «Жидкометаллические теплоносители», которая подвела своеобразные итоги исследований по атомной тематике, а также вместе с коллегами представил доклад по этой проблеме на II Международную конференцию по мирному использованию атомной энергии в Женеве. Опубликованы монография «Гидравлика газожидкостных систем» (в соавторстве с академиком М.А. Стыриковичем), серия статей в ведущих отечественных журналах. Таким образом, в 1940–1950-е гг. С.С. Кутателадзе мощно заявил о себе как об ученом, по инициативе которого были начаты исследования в актуальных разделах теплофизики и теплотехники.
Оборотной стороной успешной деятельности С.С. Кутателадзе стало неприятие его некоторых концепций оппонентами из числа московских теплоэнергетиков. Инициатором дискуссии выступил член-корреспондент АН СССР Г.Н. Кружилин, разногласия с которым по проблеме кризиса кипения возникли еще во время защиты докторской диссертации Самсона Кутателадзе. Он был слишком талантлив и слишком молод (доктор технических наук в 38 лет!!!) Тучи не замедлили сгуститься … В дирекцию ЦКТИ поступило заявление от Кружилина, в котором было написано, что теоретические разработки С.С. Кутателадзе являются проявлением идеализма в физике… Зам. директора ЦКТИ к.т.н. А.А.Канаев создал комиссию для подготовки материалов по «делу Кутателадзе», которая отправила запрос в ряд отраслевых организаций о востребованности работ С.С. Кутателадзе. В ответ были получены десятки положительных отзывов. Однако моральный климат в ЦКТИ оставался для Самсона Кутателадзе неблагоприятным. Но судьба подарила С.С. Кутателадзе шанс кардинально изменить свою жизнь… Правительство СССР 05.05.57 приняло решение о создании в Новосибирске Сибирского отделения АН СССР во главе с академиков М.А. Лаврентьевым. В числе институтов, которые должны были быть созданы в Сибирском отделении, был специализированный Институт теплофизики. Занять должность заместителя директора по науке и создать этот институт академик Лаврентьев в 1958 г. предложил С.С. Кутателадзе. Немного поколебавшись Самсон Семенович принял это предложение. В апреле 1959 г. он ушел из ЦКТИ и уехал из Ленинграда навсегда. Вместе с ним уехала целая группа молодых сотрудников института, его учеников. Новосибирск был далеко, находясь там, он уже никому не мешал, и «дело об идеализме» в ЦКТИ потихоньку заглохло.