Từ chính khách rẽ hướng thành Viện trưởng Viện Sử học đầu tiên

Nhưng với Trần Huy Liệu, sự nghiệp mà ông đắc ý nhất không phải là những chức vụ chính trị mà ông từng nắm giữ, mà chính là công tác nghiên cứu sử học. Qua đợt chỉnh huấn năm 1952, ông đã nêu nguyện vọng được chuyển sang chuyên nghiên cứu về lịch sử nước nhà. Từ năm 1953, ông làm Trưởng ban Ban nghiên cứu Văn Sử Địa trực thuộc Trung ương Đảng, giữ vị trí này cho đến năm 1959. Sau đó, ông lần lượt đảm nhiệm các chức vụ Viện trưởng đầu tiên của Viện Sử học, Phó Chủ nhiệm Ủy ban Khoa học Xã hội Việt Nam.

Ông để lại 290 công trình nghiên cứu cùng các bản hồi ký, một di sản đồ sộ cho nền sử học đất nước. Trong số đó, cuốn sách "Lịch sử 80 năm chống Pháp" đã đem lại vinh quang lớn cho ông, tác phẩm được đưa vào làm sách giáo khoa giảng dạy trong các trường đại học suốt nhiều năm. Ông được bầu làm Chủ tịch đầu tiên của Hội Khoa học Lịch sử Việt Nam, đồng thời còn được phong tặng danh hiệu Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Đông Đức.

Bên cạnh vai trò một nhà sử học, ông còn từng giữ chức Ủy viên Thường trực Quốc hội, Phó Chủ tịch Hội Hữu nghị Việt - Trung, và là Đại biểu Quốc hội khóa I. Ông qua đời ngày 28 tháng 7 năm 1969, khép lại một cuộc đời hoạt động sôi nổi, đa dạng: từ nhà báo, nhà văn, nhà hoạt động cách mạng, chính khách, đến cuối cùng trở thành một trong những nhà sử học có ảnh hưởng của Việt Nam trong thế kỷ 20. Tên tuổi của ông vẫn tiếp tục được nhắc đến trong giới nghiên cứu sử học Việt Nam như một trong những người có nhiều đóng góp cho việc nghiên cứu lịch sử cách mạng một cách khoa học, có hệ thống.