Sau năm 1954, ông Nguyễn Cao Luyện tiếp tục đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ trong Chính phủ đương thời như đại biểu Quốc hội các khóa II, III, IV, ủy viên thường vụ Đoàn Kiến trúc sư Việt Nam và Viện trưởng Viện Kiến trúc, Bộ Kiến trúc - Thủy lợi, Thứ trưởng Bộ Kiến trúc (nay là Bộ Xây dựng), Uỷ viên Thường vụ Uỷ ban Trung ương Hội Văn học - Nghệ thuật Việt Nam trong nhiều khóa. Ông là Hiệu trưởng đầu tiên của trường Đại học Kiến trúc Hà Nội và tham gia giảng dạy ở các trường đại học khác.

Ông là tác giả của các công trình Trụ sở Quốc hội ở 35 Ngô Quyền, Hội trường Ba Đình (đồng tác giả với kiến trúc sư Trần Hữu Tiềm), khu biệt thự Trung ương ở Hồ Tây và nhà triển lãm 25 năm thành lập nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà tại Bạch Mai, trụ sở UBND tỉnh Nghĩa Lộ, Bảo tàng Cổ vật Nam Định (1975). Ông là tác giả của hai cuốn sách nổi tiếng viết về lịch sử kiến trúc Việt Nam, đó là Từ những mái nhà tranh cổ truyền (1977), và Chùa Tây Phương - một công trình kiến trúc cổ độc đáo (1987). Ông nghỉ hưu năm 65 tuổi.

Ông mất ngày 10 tháng 10 năm 1987 ở Hà Nội, hưởng thọ 80 tuổi.