Sau Cách mạng tháng 8, ông làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân cách mạng và Ủy ban kháng chiến đầu tiên của tỉnh Thừa Thiên.

Năm 1946, ông trở thành Đại biểu Quốc hội khóa I và tham gia vào Uỷ ban dự thảo Hiến pháp Việt Nam năm 1946[2]. Ông là Đại biểu Quốc hội khóa I-IV đã từng đảm nhận nhiều chức vụ trong Quốc hội như Phó trưởng ban Thường trực Quốc hội khóa I[3], Uỷ viên Uỷ ban Thường vụ Quốc hội và Tổng Thư ký Uỷ ban Thường vụ Quốc hội khóa III[4], IV.

Ông còn là Chủ tịch Uỷ ban đoàn kết nhân dân Á - Phi của Việt Nam[5], Phó Hội trưởng Hội hữu nghị Việt - Trung, Uỷ viên Ban Chấp hành Trung ương Hội hữu nghị Việt - Xô.

Từ năm 1954, ông tập trung nghiên cứu về lịch sử và văn học, tham gia vào Ban nghiên cứu Sử, Địa, Văn. Ông đã có nhiều công trình nghiên cứu có giá trị như: Lịch sử Việt Nam dưới thời Pháp thuộc (1948), Trên đường tranh đấu của nhân dân Việt Nam (1950), Phan Bội Châu và một giai đoạn lịch sử chống Pháp của nhân dân Việt Nam (1958)... cùng nhiều bài viết dăng trên các tạp chí và một số công trình dịch thuật. Ông còn là một nhà thơ, nhà văn với các tác phẩm như Thanh khí tương cầu (thơ lục bát), truyện thơ Khách không nhà, tiểu phẩm Bẻ nạng chống trời, Duyên nợ bên hồ, Một ngày ngàn thu (Nhà in Đắc Lập, Huế, 1937)...

Ông mất đột ngột vào 1 tháng 12 năm 1973 trong một chuyến công tác tới Bắc Kinh, Trung Quốc, ở tuổi 73.

Tôn Quang Phiệt đã được nhà nước Việt Nam truy tặng Huân chương Hồ Chí Minh và Huân chương Sao Vàng. Hiện nay tên ông đã được đặt cho những con đường ở Huế, thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Đà Nẵng và thành phố Hà Nội.