Năm 1951, sau khi sinh con gái đầu lòng Trần Thu Hà (1949), bà ôm con bay từ Tiệp Khắc đến Bắc Kinh, rồi theo đường bí mật trở về Việt Nam đang trong giai đoạn kháng chiến ác liệt. Dù phải bỏ lại quần áo, đồ dùng, nhưng sách nhạc thì bà nhất định phải mang theo. Gia tài ấy chẳng may bị mất hết trong lúc chạy bom, may còn giữ lại được tấm bằng tốt nghiệp Nhạc viện. Ngày lánh tạm nhà dân, đêm địu con cuốc bộ xuyên rừng với hai bàn chân trần sưng tấy, sau hai tuần bà mới về tới ATK (an toàn khu) với người chồng đang bệnh nặng.

Bà dịch lời những bài hát kháng chiến sang tiếng Pháp để tuyên truyền địch vận, hát cho bọn trẻ nghe ở lớp học chữ do bà mở trong làng, dạy ký xướng âm cho các đoàn văn nghệ, đôi khi chỉ huy dàn hợp xướng. Ông Trần Ngọc Danh bị ho lao mà chết trong rừng trong lúc bà mang thai người con thứ hai là Trần Thanh Bình.[5] Bà chính thức hoạt động âm nhạc từ khi tham gia Đoàn Ca Múa nhân dân Trung ương, là nơi bà gặp người chồng sau này, chính trị viên của Đoàn, nhà thơ, nhạc sĩ Đặng Đình Hưng.

Sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc, bà cùng Đội Hợp xướng Hòa Bình do nhạc sĩ Lưu Hữu Phước dẫn đầu đã sang Thượng Hải – Trung Quốc thu thanh những đĩa nhạc đầu tiên của Việt Nam. Chương trình còn thiếu dân ca Nam Bộ, thế là bài hát Ru con Nam Bộ kết hợp từ Lý giao duyên còn đọng trong ký ức của bà và Lý bốn mùa mà nhạc sĩ Lưu Hữu Phước còn nhớ được ghi âm với tiếng hát của ca sĩ Thương Huyền trên phần đệm piano của nghệ sĩ Thái Thị Liên. Sau này bà đã soạn lại cho piano độc tấu, đưa vào giáo trình của Trường nhạc.

Năm 1955, bà cùng với Tạ Phước, Lê Yên, Tô Vũ, Vũ Tuấn Đức, Doãn Mẫn, Lều Thọ Hợp là 7 người có công lập nên Trường Âm nhạc Việt Nam (sau này là Nhạc viện Hà Nội). Bà tập hợp được một số cô giáo dạy đàn nghiệp dư tại Hà Nội lúc bấy giờ: bà Vượng, bà Nghĩa, bà Mai, bà Minh Thu, bà Lê Liên…, rồi bồi dưỡng thêm về chuyên môn cho các bà trong gần một năm trời. Đội ngũ giảng viên piano đầu tiên còn có bà Vũ Thị Hiển (thân mẫu của nghệ sĩ piano Tôn Nữ Nguyệt Minh) từng học luật tại Pháp nhưng cũng là một tay đàn amateur có tiếng ở Hà Nội thời đó.

Bà cũng dành thời gian biên soạn giáo trình sơ cấp piano và giáo trình này được tái bản khá nhiều lần. Bà trở thành chủ nhiệm khoa piano đầu tiên của Nhạc viện và giữ cương vị này cho đến năm 1976 thì chuyển vào trong nhạc viện Sài Gòn dạy tư.[6] Bà cũng là một trong những nghệ sĩ đầu tiên về công tác tại Đoàn Ca múa Nhân dân Trung ương (tiền thân của Nhà hát ca múa nhạc Việt Nam).

Thái Thị Liên là người đã dạy dỗ nhiều nghệ sĩ, nhạc sĩ nổi tiếng, và được Nhà nước Việt Nam phong tặng danh hiệu Nghệ sĩ nhân dân và Nhà giáo nhân dân.

Từ đầu năm 1981, Thái Thị Liên đã xin nghỉ ở Nhạc viện Hà Nội để được đi cùng hỗ trợ con trai Đặng Thái Sơn tiếp tục sự nghiệp âm nhạc khắp thế giới. Bà làm đủ công việc hỗ trợ cho con như thư ký, đánh máy, tốc ký và cả công việc nội trợ. Thái Thị Liên chỉ bớt chăm sóc con đi khi bà bước qua tuổi 90.

Bà nhập quốc tịch Canada từ năm 1995 nhưng hiện nay đang sống tại Hà Nội.