Sau khi thoát khỏi nhà tù ông đảm nhiệm cương vị hiệu trưởng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội (1956-1966), Viện trưởng Viện Khảo cổ học (1967-1988), Phó Chủ nhiệm Ủy ban Khoa học Xã hội và Nhân văn, Đại biểu Quốc hội khóa II, III.

Trong phong trào chống Nhân văn - Giai phẩm, Phạm Huy Thông cũng có bài viết phê phán nhà triết học Trần Đức Thảo[4].

Năm 1987, ông được bầu Viện sĩ nước ngoài Viện hàn lâm Khoa học Cộng hoà Dân chủ Đức.

Ông mất vào ngày 21 tháng 6 năm 1988 tại Hà Nội.[3] Cái chết của ông khá đột ngột, gây bất ngờ với bè bạn.[5]

Phạm Huy Thông đã thể hiện là một người đặc biệt có tài về tổ chức và kinh nghiệm lãnh đaọ. Thể hiện khi ông lãnh đạo Viện Nghiên cứu khảo cổ học nghiên cứu thành công đề tài "Thời đại các Vua Hùng dựng nước", "Khảo cổ học 10 thế kỷ sau công nguyên", "Khảo cổ học với văn minh thời Trần"... Góp phần làm cho Việt Nam trở thành một quốc gia có nền khảo cổ học mạnh tại Đông Nam Á. Ngoài ra ông còn là một nhà thơ, được nhắc đến trong cuốn "Thi nhân Việt Nam" của Hoài Thanh và Hoài Chân.

Theo GS Phan Huy Lê, Phạm Huy Thông là một nhà trí thức uyên bác và tài hoa trên nhiều lĩnh vực, từ thi ca đến luật học, sử học, khảo cổ học, nhưng hình như niềm đam mê suốt đời của ông là lịch sử và chất sử thấm vào ông trên tất cả các sáng tác, nghiên cứu và hoạt động xã hội[5].

Năm 2000, ông được nhận giải thưởng Hồ Chí Minh về công trình nghiên cứu khảo cổ (Con Moong, trống đồng Đông Sơn và 4 bài dẫn luận thời đại Hùng Vương). Tên ông được đặt cho một con đường vòng quanh hồ Ngọc Khánh tại Hà Nội[3] và con đường mới đẹp nhất (có cả quảng trường) tại quận Gò Vấp TP. Hồ Chí Minh.