В 1913 г. Н.Т. Гудцов поступил на работу в лабораторию Путиловского завода. Под его руководством здесь были созданы хорошо оборудованные лаборатории металлографии и механических испытаний. Путиловский завод, один из передовых заводов России, в годы восстановления стал своеобразной творческой лабораторией по подготовке развёртывания отечественного машиностроения. На заводе осваиваются и создаются новые марки легированных сталей, разрабатываются новые методы термической обработки, строится первый механизированный чугуно-литейный цех, ведутся исследования процессов плавки и разливки качественной стали.
Максимально приближенная к производству исследовательская деятельность предопределила главную особенность всего последующего творческого пути учёного – обусловленность получения новых знаний запросами практики. Основными направлениями изысканий Н.Т. Гудцова в период работы на производстве были исследования процессов плавки и разливки металла, создание новых марок легированной стали, совершенствование методов её термической обработки. Полученными результатами Николай Тимофеевич заявил о себе как талантливый и перспективный учёный. Его работы привлекли внимание ведущих металлургов и металловедов страны.
В 1928 г. Н.Т. Гудцов возглавил отделение металлографии Всесоюзного института металлов, основанного в 1919 г. Институт стал одной из первых научно-исследовательских организаций широкого профиля в области технических наук. В 1934–1935 гг. по его инициативе здесь была организована первая специальная лаборатория по изучению стального слитка.
Н.Т. Гудцов и возглавляемый им коллектив значительно расширили границы познания и в сфере фундаментальной науки, создания теоретических моделей, описывающих структуру и свойства металлов в различных фазовых состояниях. Он исследовал генезис тетрагональных решёток железа; разработал физические теории превращений в стали при охлаждении и деформации кристаллических тел; описал виды взаимодействия атомов железа и углерода в стали; сформулировал принципы применения рентгеновского анализа к изучению строения закалённой стали; предложил новую трактовку диаграммы железоуглеродистых сплавов; провёл лабораторные изыскания величины зерна в стали и её изотермической закалки; всесторонне проанализировал процессы, протекающие в различных сортах стали при их закалке, отпуске, нагреве и охлаждении. По итогам проведённых научных исследований, новизне полученных результатов и их большому прикладному значению в 1939 г. Н.Т. Гудцов был избран действительным членом АН СССР по Отделениям технических и химических наук. Тогда же он возглавил Отдел металловедения Института металлургии АН СССР. 30-е гг. были творческой вершиной в деятельности учёного. Под его руководством велись исследования в области специальных сталей и сплавов, по термической обработке, общим вопросам металловедения, разрабатывались способы улучшения свойств быстрорежущей стали, изучалось влияние содержания хрома на магнитные свойства вольфрамовой стали.
