1959年中國醫學科學院放射醫學研究所在北京成立，他任第一研究室主任、教授。這一年為了研究動脈粥樣硬化的成因，他合成了6－（上標131）I－膽固醇。這個化合物後來成為一個良好的腎上腺掃描顯像劑。這是到目前為止中國唯一一個由中國人自己合成的、有應用價值的核素顯像劑。1959—1979年，他在放射醫學研究所主持合成了許多為科研、醫療所急需的標記物，其中重要的有（上標14）C標記的多種氨基酸、（上標14）C－甲酸、（上標131）I－三碘甲狀腺原氨酸（T3）、（上標131）I－甲狀腺素（T4）、（上標131）I標記的二碘酪氨酸以及（上標131）I－鄰碘馬尿酸、（上標131）I－二碘熒光素和（上標14）C－腺嘌呤、（上標15）N－甘氨酸等。多達100多種的標記化合物的合成和生產，不僅極大地促進了中國許多基礎與臨床學科科研工作的開展，使核生物學和核醫學技術得到廣泛應用，而且打破了某些國家對中國的技術封鎖，也為國家節約了大量的外彙。除此之外，他還在放射性核素應用技術方麵做了很多開拓性的工作。在此期間，他不僅曾在北京大學生物係兼課，講授放射性核素在生物醫學中的應用，同時從1956年開始培養研究生。30多年來共培養碩士研究生17名，博士研究生4名，造就了一批從事核醫學、核生物學的骨幹人才，大大提高了中國在這一領域中研究工作的水平。如液體閃爍測量技術、活化分析、放射免疫分析、微生物放射測定、放射受體分析、酶放射分析、穩定放射性核素的醫學應用、質子激發X線放射分析、放射免疫顯像等，都是在他指導下的青年學者和研究生在國內首先開展的。與此同時，他始終沒有間斷從20世紀40年代開始的對甲狀腺素的研究。他在這一領域裏做了大量係統性的工作，其中包括甲狀腺素及一係列代謝物的標記，甲狀腺素及類似物的合成。甲狀腺素的生物合成，藥物對甲狀腺素作用的影響，以及甲狀腺素與其他激素（如腎上腺素、腎上腺皮質激素）的相互作用等。通過這些研究，他提出了獨到的新論點，他發現酪氨酸不但能夠變為甲狀腺素，也能夠轉變為甲狀腺中的碘化酪氨酸。碘化酪氨酸的確是甲狀腺素生物合成的中間物，而當時學術界錯誤地把它僅僅當做碘的攜帶體。他還發現甲狀腺素可以不必經過與細胞信使RNA作用，而直接作用於線粒體，進而影響酶的活性。此外，他還提出了不同劑量的甲狀腺素有雙向性作用的觀點。他的這些觀點對進一步深入研究甲狀腺素的作用機製有重要意義。
“文化大革命”期間，王世真受到無端的審查和批判。但這一切始終沒有使他放棄對發展中國核醫學事業的不懈追求。1972年他主持了全國原子核科學技術展覽會醫學部分的展出工作。同年還主持了全國原子核醫學經驗交流會。1973年他受衛生部委托，再次舉辦全國放射性核素技術學習班。為此他親自主編了《放射性核素技術及其在生物醫學中的應用》一書作為學習班的教材，該書1977年出版，1978年獲得全國科學大會一級成果獎。1989年該書獲得中國科學院出版基金的資助，經過一些增補後以《核醫學與核生物學》為名再版。他的這些工作對中國核醫學從普及走向提高的轉折起到了重要的推動作用。1978年黃景泉因病去世。同年他升任放射醫學研究所副所長，並從1985年起任該所名譽所長至今。
1980年王世真被選為中國科學院生物學部委員。同年他與周前教授結婚。就在這一年，中華核醫學在北京成立，他出任第一任主任委員。1981年《中華核醫學》雜誌創刊，他任第一任主編。
1979年王世真調到北京協和醫院工作以後，將實驗核醫學技術與臨床核醫學以及其他臨床學科的研究課題密切結合起來。在國內首先開展了放射免疫顯像的研究工作。“七五”期間，他承擔了放射免疫顯像和導向治療的國家重點攻關課題，取得了豐碩成果，大大提高了中國卵巢癌、肺癌、肝癌、結腸癌等惡性腫瘤的診斷水平。他還帶領研究生利用穩定放射性核素示蹤技術研究了慢性腎功能衰竭患者、白血病患者的蛋白質、氨基酸代謝，為這些疾病的病因學、治療學研究提供了科學依據。此外，他們還在國內首先建立了呼氣實驗這一安全、簡便的診斷方法。用（上標13）C－軟脂酸和（上標14）C－甘油三油酸脂雙標記呼氣實驗診斷患者脂肪瀉原因的技術。受到了1985年維也納國際核醫學會議的高度評價。1984年中國醫學科學院首都核醫學中心成立，他任該中心主任。