Sau đó ông được bầu làm Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa I tại tỉnh Bắc Ninh. Vợ ông là bà Phan Thị Sáng cùng là đại biểu Khóa I của Quốc hội Lập hiến 1946, tham gia xây dựng những bộ luật đầu tiên của nước Việt Nam mới.

Ngày 14-4-1948, Chủ tịch Hồ Chí Minh ra sắc lệnh số 175, cử ông Nguyễn Khang làm Chủ tịch và ông Nguyễn Duy Thân làm Phó chủ tịch Ủy ban Kháng chiến hành chính và Thường vụ Liên khu 1 (Việt Bắc).[2]

Đến cuối năm 1951, ông Thân được cử đi học tại Trường Đại học Mác - Lê-nin của Đảng Cộng sản Trung Quốc cùng với một số cán bộ. Sau đó, ông Thân lâm bệnh rồi qua đời ở Bắc Kinh, Trung Quốc năm 1952.