自然資源綜合考察工作是在我國開展大規模經濟建設過程中興起的，是我國科學事業中的新興部分，不僅需要在理論上和科學實踐中不斷進行總結，還應該在工作中注意培養青年人，建立一支具有中國特色的自然資源研究隊伍。在竺可楨倡導下，當時綜合考察在進行過程中（如治沙隊）或階段結束（如黑龍江隊）都要舉行不同規模的學術討論會，及時出版學術著作。新疆綜合考察隊考察工作結束時，發動全體隊員，全麵整理各項資料，編寫出十幾種專著，形成了《新疆綜合考察叢書》，竺可楨親自為叢書寫了序言。在當時，各考察隊大都實行一年三分之一時間在野外實地考察，三分之一時間對考察所得資料進行科學總結，另有三分之一時間用於科研人員的理論研究。竺可楨常是直接指導他們的工作和學習，親自參加他們的論文答辯會。由於方向明確、措施得力，長期從事野外考察工作的年青科技人員迅速成長起來，科學素質不斷提高。像第一批竺可楨野外科學工作獎獲得者、曾任中國科學院副院長的孫鴻烈院士就是其中一位佼佼者。
1958年開始的“大躍進”，提倡破除迷信，敢想、敢幹，竺可楨也不失時機地提出了“吹起號角來向沙漠進軍”，號召廣大“地理工作者應該是向地球進軍的先鋒”，還提出“讓海洋更好地為社會主義建設服務”，等等。與當時主流風氣不同的是，他不是搞浮誇，在“敢”字當頭後麵的是實幹。竺可楨提出一係列目標明確的研究任務，也提出了切實可行的工作方針和措施，有力地帶動若幹學科的發展，填補了空白，為我國科學研究事業的全麵繁榮打下了基礎。
首先，這些科學研究一定要結合發展國民經濟的需要，強調為生產服務。例如：向沙漠進軍，他明確指出：沙漠方麵的工作主要是以治理為主，主要在“治”字上大做文章。沙坡頭搞鐵路防沙研究，在民勤搞農田防沙的研究，都是從任務出發的，必須投入大部分力量在應用研究和應用基礎研究方麵，但也要搞一些必要的基礎理論，如關於風沙地貌的研究內容，主要是研究沙漠中沙的形成和來源。他在評價冰川學的發展時指出：冰川學是兩年來發展起來的新學科，較全麵地調查了祁連山、天山冰雪資源的分布、類型、特征、結構構造、運動和儲水量，並作出初步估計，提出了開發利用冰雪資源的初步意見，進行了小規模融冰化雪試驗。1959年，在河西走廊融冰化水二千萬立方米，對農業灌溉有一定幫助。總之，他認為對幹旱區的改造，冰川和沙漠都是亟待解決的問題。
其次，他一貫主張要利用自然，必須首先認識自然。為了認識自然，必須到大自然中去，到野外去。作為第一步，研究所應該建在靠近前線的地方。他說：“冰川、凍土、沙漠都是以大自然為研究對象，要認識這些自然現象和掌握自然規律，工作重點就得放到野外去，主要的工作應該放到現場去做。”在他倡導下，原屬地理研究所的沙漠研究室遷往蘭州，和原在那裏的冰川凍土研究室合建成中國科學院蘭州冰川凍土沙漠研究所。為研究高原氣象，從地球物理所分出一部分研究人員到蘭州，成立地球物理研究所蘭州工作站；又將地理研究所地貌、地圖研究的一部分研究人員派往成都，創建地理研究所成都分所，以針對我國西南地區山地利用和山地災害的實際，將山地開發和山地災害防治作為主要研究方向。這些組織措施，針對我國自然條件的特點，在全國範圍內，逐步建立起中國科學院比較完整的地學研究體係。竺可楨又強調在實際調查的基礎上，選擇自然條件有代表性的點，實行點麵相結合的研究方法。我國幅員遼闊，麵的考察難以完全深入，可以在點上進行觀測實驗，然後推向全麵，這樣也可以推動研究工作由定性往定量方向發展。他在《十年來的綜合考察》一文中指出：“在考察方法上應強調點麵有機地相結合，通過麵的廣泛活動來了解情況，發掘問題，通過點的深入研究來解決問題，取得經驗。”在他的關心和支持下建立起來的寧夏沙坡頭固沙試驗站、天山冰川觀測試驗站等，都是中國科學院最早建立起來的野外定位觀測試驗站，今天已經在國際上享有盛譽，對沙漠學、冰川學的研究，對當地國民經濟建設，都作出了重要的貢獻。為了明確地認識自然，竺可楨還要求在地學研究中引進數理化方法，及時采用有關新技術，例如可利用航空物理探礦，以飛機進行大麵積考察等。他曾經以治沙工作為例，指出采用新理論、新方法在地學研究中的必要性和可能性，他說：“治沙的科學研究工作也應該充分地應用尖端科學的理論和新技術的方法，如空氣動力學可以應用在航空和導彈上，也可以用在研究沙丘的形成和移動的規律上。原子反應堆產生的同位素可以應用在工業農業和醫學上，亦可應用在測量沙麵的濕度和促進沙生植物的生長。”
第三，要大力進行科學普及工作。認識自然、改造自然是一項群眾性的事業，和人民群眾切身利益休戚相關。竺可楨既注意總結群眾改造自然的經驗，吸取其中科學的合理的部分，更要求不斷將科學研究成果向群眾宣傳推廣，把廣大群眾動員起來共同參加改造自然的鬥爭。從1957年開始到60年代初，他根據自己在野外考察所得，先後公開發表了《雷瓊地區考察報告》、《要開發自然必須了解自然》、《地理工作者應該是向地球進軍的先鋒》、《新疆紀行》、《讓海洋更好地為社會主義建設服務》、《改造自然是我們的曆史任務》等文章，深入淺出，既是科學論文，也是宣傳群眾、動員群眾的科普文章。1960年他還為青少年撰寫了《向沙漠進軍》一文，得到青少年讀者的熱烈歡迎。由於文章深入淺出，科學內容豐富，說理透徹，一直到現在仍然是中學語文課程的範文，被公認是進行科學普及教育的優秀教材之一。
竺可楨作為中國地理學會和中國氣象學會的理事長，十分注意發揮學會的作用，以促進各部門、各地區之間的學術交流，注意為生產建設服務，推動學科的進展。當時學會的學術交流活動十分活躍，每年都有一次綜合性的學術年會。對於這種學術活動，竺可楨都親自參加籌備，從確定會議的主題到論文的選擇，他都要提出意見。特別是對於中國地理學會當時的工作方向，他認為地理學是一門麵向各個自然要素和整個地理環境，綜合性和地區性很強的科學。在當時的曆史條件下，一定要利用這一特點來開展為農業生產服務的研究工作。在每次學會召開的會議上，他或者專門報告，號召氣象工作者和地理工作者向大自然進軍，努力解決生產實際提出的各種科學問題；或者是根據他自身研究所得，提出學術論文，引導學術界進一步討論。竺可楨《中國的亞熱帶》一文，就是在1958年8月進行的中國氣象學會擴大理事會上提出的。他針對當時國內外學術界對於亞熱帶劃分的概念不一，提出中國亞熱帶的北界應是淮河、秦嶺、白龍江一線；《論我國氣候的幾個特點及其與糧食作物生產的關係》一文是在1963年11月中國地理學會第三次全國代表大會暨綜合性學術年會上提出的，為地理學研究農業問題並為農業生產服務，提供一個範例。竺可楨為學會工作傾注了很大心血，在“文化大革命”以前，長期以來，他每周二上午必到地理研究所定時辦公，其中有相當一部分時間是和當時任中國地理學會副理事長黃秉維和副秘書長瞿寧淑討論學會工作。
建國以來，他看到新中國建設欣欣向榮，科學事業蒸蒸日上，從親曆實踐中體會到，隻有在中國共產黨領導下，中國科學事業才有燦爛輝煌的明天，也隻有把科學事業與黨的事業緊密結合在一起，才能實現自己從青年時代起樹立的發展科學、振興中華的理想。1962年6月4日，他被接受為中共預備黨員。郭沫若在會上送了一首詞給竺可楨，作為入黨留念。詞曰：“雪裏送來炭火，炭火渾似熔鋼。老當益壯高山仰，獨立更生榜樣。”入黨後，他在工作中更自覺地貫徹黨的方針政策，中央提出以農業為基礎的國民經濟總方針以後，他除了在工作中積極貫徹外，還率先研究與農業生產密切相關的氣候問題，係統地總結了物候學的理論。
76歲高齡的竺可楨仍然每天工作12小時左右，他在繁重的行政領導工作和社會活動之餘，仍然堅持學術研究。自1957年以後，他進入了一個新的旺盛研究時期。他利用到野外去直接考察和全麵掌握綜合考察最新成果的有利條件，加上博覽群書，貫通古今中外，所以著述一直不斷。據不完全統計，1957年以來到文化大革命以前，竺可楨公開發表的科學論文、工作報告以及反映我國科學事業發展的各種文章達60篇以上。
十年動亂帶來巨大災難，中國科學院也不例外。正常的工作秩序被打亂，科研業務工作被迫輟止。與常人相比，他在文革中被最高層列為保護對象，沒有受到什麼衝擊，但也僅此而已，在他人生最後的8年中，基本上處在賦閑狀態。令人敬佩的是，竺可楨在全社會處在動亂而極其困難的條件下，他卻默默做出了同時代人無法與之相比的貢獻。
極為關注中國科學院的基本任務和主要研究方向。文化大革命以來，中國科學院的正常科研秩序被完全打亂，研究方向遊移不定。他認為科學院的研究方向不應該像個“門診部”，在研究工作中應該重視基礎理論研究，而且應不斷提高。科學院在文化大革命中有許多研究所在體製上幾經變動，一些科研單位劃歸國防係統；另一部分研究所則下放地方，使得中國科學院這個全國自然科學研究中心的綜合研究實力大大下降。例如地理研究所不是把主要精力放在收集並研究來自自然界的第一手資料，卻是為了應付當時的需要，花了很大力量去做外國地理和邊疆地理的彙編工作。竺可楨對科學院當時的方向任務缺乏明確重點，猶如一個“雜貨鋪”和“門診部”深表憂慮。竺可楨認為：如果沒有足夠的理論研究，我國科學事業和社會經濟發展必然會喪失後勁，我國的經濟實力必然提高不快，與世界科學水平的差距必將越來越大。竺可楨曾就中國科學院總的研究方向上書周恩來、郭沫若，並向科學院當時實際負責人劉西堯當麵表示了他的上述看法。1972年1月31日，他寫信給郭沫若，認為科學院究竟堅持什麼研究方向，至今尚在“彷徨歧途”，必須強調基礎研究這個大方向，對原子物理、分子生物學、細胞生物學以及日地關係，以至於大陸海洋起源等問題，都應有一定數量的人力物力來進行研究。他在和劉西堯談話中，希望科學院要保持理化方麵的研究實力，不能將大部分化學研究所轉交給國防係統和地方，因為這是從事基礎研究的“基礎”。地質、地球物理和海洋等研究所都是從事基礎科學研究，應當麵向全國，不宜劃給生產部門或地方；就是承擔生產任務時，也要了解全過程，從中找出規律性的東西。1972年2月24日，他和地理研究所左大康等四人談話時，強調地理研究所作為中國科學院一部分，必須注重於理論研究的提高，要把重點放在影響全局的戰略問題上。當時左大康介紹說：地理所擬在黃淮海地區開展以水熱平衡和循環為中心做抑製蒸發的實驗研究，作為該所當時的研究重點之一。竺可楨則認為，這項任務雖然重要，但它不能根本解決黃淮海地區的水源問題，隻能作為黃淮海地區的戰術問題來考慮，希望地理研究所抓住戰略問題，即在黃淮海地區的水源問題上多下功夫。竺可楨這一提示，一直指導著地理學界緊緊把握研究工作的主要方向。竺可楨還在各個場合，提醒科學院當時的實際負責人，要重視西藏地區的綜合考察、蟹狀星雲和中子星的研究等等。這些意見雖未被當時科學院當權者接受，但對保留一部分研究力量，促使一些研究所（如海洋研究所）迅速回歸中國科學院，起到了相當重要的作用。
竺可楨密切注視著國際上科學發展的動向。1966年動亂開始後他主要通過閱讀英文的《科學》和《自然》兩本周刊來了解國際動向，發現我國原來已經領先的研究領域，由於“文革”動蕩停頓下來，已經落後了。例如胰島素晶體結構的人工合成及其晶體結構研究，如果能繼續研究，不僅可以完全保持我領先地位，甚至可以為國家爭取到最高學術榮譽，但是由於文化大革命中斷了研究而被英國趕上來。又例如，我國早在公元1054年宋代即對超新星有詳細的觀察和記錄。從60年代開始，國際天文學界對超新星爆炸後形成的蟹狀星雲的研究報告日益增多，然而我國對這方麵的研究卻無所作為。隨著板塊學說的興起，有關大陸飄移對地質構造的特征，特別是海洋地質及各種礦產資源生成規律等基礎理論研究，在國際上可謂日新月異，但在我國卻幾無動靜。竺可楨了解到這些動向以後，通過各種渠道提出建議，希望推動有關研究工作的正常開展。
堅持學術研究。竺可楨在動亂歲月中，以驚人的毅力和智慧，繼續專心致誌地進行氣候變遷和物候學的研究，撰寫出《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》和《物候學》修訂稿。把這兩方麵的研究推向新的高度，作為凝聚著科學家畢生之力的代表作留在人間。前者是竺可楨研究了近五十年的重要課題，積累了作者幾十年的深思，開創了這個研究領域的先河。這篇文章最早完成於1966年文化大革命初期，原文用英文寫成，作為作者參加羅馬尼亞科學院成立100周年慶祝活動的禮物，但是並未公開發表。作者又用了四、五年時間，繼續在我國古籍中獵涉了許多描述我國氣候變遷的資料，同時注視國外同類研究，經過融合提煉，得出我國曆史上不同時期的氣候變化趨勢，竟和西歐國家采用新技術方法所得到的結論大致相符。《物候學》是在1963年出版的一本知識性讀物，問世以後即得到熱烈歡迎，經作者修訂後原擬立即再版。文化大革命開始後，書稿被出版社一小夥人焚燒，竺可楨不得已又重撰其稿，吸收了近幾年新觀察所得的資料，同時注意到當時環境汙染給物候所帶來的影響。另外，又增加了《一年中生物物候推移的原動力》一章，以辯證唯物主義的觀點來分析物候的變化，不盡是受外部氣候的影響，必須通過生物內部機製變化才能起作用。《物候學》雖然是一本科普性讀物，卻耗費了作者大量心血，是他進行物候觀測幾十年的科學總結，也是我國物候學研究的經典之作。
竺可楨當時除著述以外，還以大自然作為實驗室，以科學家的科學敏銳，捕捉大自然環境變化的信息。他守著寓所附近極其有限的小天地，精心觀測幾種植物的物候變化，觀察各種候鳥寒暑遷徙和數量的變化，使他積累了幾十年的物候記錄得以繼續延伸。他親自操作，對金銀花的葉麵施以不同農藥，從中觀察藥效和不同環境下蟲害的發展情況。他甚至親自打掃院落，精心地實測塵埃的單位麵積重量。通過這些十分平凡但又有重要意義的科學實驗，他不但感到當時自然生態環境已經“鴉雀無聲”，而且預感到由於過度開墾，可能導致大麵積水土流失和土壤風蝕，進而引發生態環境的進一步惡化。
積極參與外事活動。1972年前後，中美關係出現轉機，中斷了20多年的兩國交往逐漸恢複，而科學家的來往是其中先行的重要方麵。1971年8月著名華人學者楊振寧首先回國省親、訪問，得到周恩來總理的親切會見，也見到闊別多年的師輩與同窗，以及中國科學院領導人。由此開始，眾多的美籍華人學者不斷回國訪問，中國科學院的對外交往開始複蘇。竺可楨作為中國科學院副院長、國際上有相當知名度的學者，又是許多著名華人學者的師長或老朋友、老同事，在這種形勢下，他擔負了許多接待工作。他們中間有李政道、趙元任、陳省身、任之恭以及英國皇家學會會長霍奇金爵士、著名英國科學家李約瑟、美國哈佛大學費正清等。竺可楨向他們介紹建國以來中國科技事業的巨大成就，中國科學院的性質、任務和研究方向，探討雙邊合作的可能與具體內容。當時文化大革命尚未結束，中國科學院的領導體製很不健全，一些領導人不便對外，竺可楨與吳有訓副院長一起，承擔了大量其他人無可替代的工作，為發展當時民間外交和溝通對外科技合作發揮了重要作用。
在接待“內查外調”中認真保護幹部和知識分子。竺可楨在文化大革命中另有一項重要的工作，也是他的特別貢獻，就是他曾接待了全國各地幾百批審幹調查來訪來函。他都認真謹慎、實事求是地翻閱了他自己幾十年來的日記，有理有據地回答了所提出的問題，緩衝或解脫了這些同誌所遭到的非法審查和衝擊，從而保護了一大批知識分子和幹部。
來向竺可楨進行這種調查的，大體有兩類情況：一類是在所謂“清理階級隊伍”前後，在打倒一切，懷疑一切思潮的影響下，從舊社會過來的知識分子幾乎都成了懷疑對象；另一類是在“三結合”的過程中，兩派人員對某人持有不同意見而進行有某種傾向性的調查。因此有不少被調查人由不同人來183批。據此估算，在動亂中前後幾年共接待了500批左右。竺可楨對這類調查除了認真查閱自己的日記以外，還要客觀地加以分析，有一次為了查清一個人某一具體問題，他竟花上兩天時間去翻閱他前後許多年的日記。
浙江大學西遷以後，日軍從廣西攻打貴州，貴州形勢告急。浙江大學有92位青年學生投筆從戎，參加了當時組織的“青年遠征軍”，竺可楨當時在日記上記下了這批愛國學生的名單。二十年後，因為他們當時參加的是國民黨軍隊，這些人就成了“清理階級隊伍”時的整肅對象。麵對調查人員，竺可楨從當時曆史條件出發，理直氣壯地為他們辯護，充分肯定了這批同學愛國抗日的行動，從而為這批幹部澄清了曆史真相，免受更多的政治迫害。
竺可楨十分關心對翻譯家和作家葉君健的處理。葉在1947年作為留英研究生，為當時參加聯合國教科文組織會議的中國代表團任翻譯。竺可楨是中國代表團成員之一，在此期間和葉君健有較多接觸。但是這段經曆卻成為十年動亂中確定葉君健政治曆史的關鍵，外文出版局中國文學雜誌社的“造反派”多次派人來調查了解。竺可楨認為一個普通翻譯人員在當時國際活動中做了積極有益的工作，不能作為參加國民黨組織活動的根據。當這些人仍然對此抓住不放時，他毅然提出反問：“我是代表團正式成員況且不予追究，要如此對待一個翻譯人員豈不缺乏政策根據？”竺可楨的仗義執言，使調查者啞口無言。
竺可楨更證明了曾呈奎等一大批科學家，為了獻身科學研究事業，與美國政府和有關科學組織正常來往的經過，斷然否定一些人誣指他們“從事特務活動”或“賣國主義”的不實之詞。
在到處批判所謂修正主義路線和黑線專政的鼓噪聲中，竺可楨本著獨立思考，尊重曆史事實的精神，以自己的親身經曆，充分肯定了建國以來我國各方麵所發生的巨大進步，特別是科技事業飛速發展的事實。1968年2月，在科學院造反派策劃的一次會議上，他頂住政治壓力，力排眾議，以具體事實批駁了所謂科學院17年來“執行了修正主義路線”的謬論，充分表現出這位科學老人一貫堅持“求是”精神的高尚情操。
竺可楨於1974年2月7日因病逝世。