В 1928 году нарком здравоохранения Семашко отзывает Н.Ф. Гамалею в Москву. В столице Николай Фёдорович должен был возглавить вновь создаваемый Центральный институт эпидемиологии и микробиологии. Большая организационная работа по созданию этого научно-исследовательского учреждения, в которой принял самое активное участие Гамалея, завершилась в 1930 году. Во главе института Николай Фёдорович стоял до 1938 года. Впоследствии, после смерти учёного в 1949 году, институту было присвоено его имя.
Параллельно с руководством научной работой Центрального института эпидемиологии и микробиологии Гамалея организовал исследования туберкулёзного иммунитета в одной из лабораторий ВИЭМ (Всесоюзного института экспериментальной медицины) (снова возвращение к «любимому микробу»). Во Всесоюзном институте экспериментальной ветеринарии (ВИЭВ) он наладил изучение вирусных болезней домашних животных. С 1932 по 1938 год работал научным консультантом одной из лабораторий Биохимического института.
Одновременно Николай Фёдорович уделял большое внимание организации научной деятельности в союзных республиках. Так, в 1931 году он возглавил создание Института эпидемиологии и микробиологии в Армянской ССР (в Ереване).
Многообразна и общественная деятельность Гамалеи, точнее сказать – научно-общественная. Он был одним из учредителей Всесоюзной ассоциации работников науки и техники, одним из создателей и активных членов Всесоюзного общества по распространению политических и научных знаний, с 1939 года бессменно руководил Всесоюзным обществом микробиологов, эпидемиологов и инфекционистов (сначала как председатель, а затем – как почётный председатель), участвовал в конференциях, съездах, юбилейных заседаниях.
При всей этой нагрузке Николай Фёдорович продолжал лично работать в лаборатории.
Остаётся только поражаться работоспособности, неиссякаемой энергии, энтузиазму Н.Ф. Гамалеи, которому в 30- годы уже «перевалило» за семьдесят, а в 1939 году исполнилось 80 лет.
Советское правительство и научная общественность высоко оценили вклад Н.Ф. Гамалеи в отечественную науку и организацию здравоохранения в нашей стране. В 1939 году его избирают членом-корреспондентом Академии наук СССР, а уже в 1940 году он становится почётным академиком.
Но из песни слова не выкинешь. Николай Фёдорович жил не в идеальном мире науки, а в реальном мире с его проблемами. Идущие в обществе процессы, свершающиеся крупные события так или иначе затрагивали и его.
Прокатившаяся по стране в 1937 – 1938 годах волна репрессий больно ударила и по отечественной микробиологии. Были репрессированы (отправлены в лагеря, расстреляны) многие не только рядовые сотрудники, но и видные учёные (С.В. Коршун, В.А. Барыкин, И.Л.Кричевский, Л.А. Зильбер, А. А. Захаров и др.). Как правило, их обвиняли в попытках массовых отравлений и заражений советских граждан через воду, воздух, пищу. По подобному обвинению был брошен в тюрьму и сын Николая Фёдоровича. Будучи военным бактериологом, он служил на Дальнем Востоке. Угодив в тюрьму, Фёдор Николаевич полтора года дожидался расстрела. Ему повезло: после доследования он был выпущен на свободу.
Николай Фёдорович бесстрашно пытался помочь своим коллегам: сам писал письма в правительство и следственные органы, ставил свою подпись под письмами других. В частности, известна его активная роль в попытках добиться освобождения Л.А. Зильбера. Тогда это было ох как небезопасно – многие «подписанты» расплачивались за это, сами попадая под следствие. Так, например, случилось с известным микробиологом А.А. Захаровым, который был, в итоге, расстрелян (по одной из версий; по другой – скончался в заключении).
Но Гамалею «сея участь минула»: лично его репрессии не коснулись. Хотя, очень даже может быть, что именно с арестом сына связан уход учёного с поста научного руководителя Центрального института эпидемиологии и микробиологии.
С 1938 года он переходит на работу во 2-й Московский медицинский институт, где возглавляет кафедру микробиологии. В этом институте и на этой должности Николай Фёдорович проработал до конца жизни. С 1939 года параллельно он заведовал одной из лабораторий Центрального института эпидемиологии и микробиологии.
Начавшаяся Великая Отечественная война не прервала активной деятельности Н.Ф. Гамалеи. Он руководил работой Вирусного комитета Академии наук СССР, продолжал возглавлять Всесоюзное общество микробиологов, эпидемиологов и инфекционистов.