Н.Д. Папалекси руководил также всей работой по разработке пеленгаторных установок, работающих на большом расстоянии от фронта, и ламповых приемников для армейской и морской авиации. При его участии впервые в России была осуществлена в 1915 г. радиотелефонная связь между Царским Селом и Петроградом. В 1916 г. под его руководством было разработано оборудование для подводного телеграфирования и проведены исследования радиосвязи между береговой станцией и погруженной подводной лодкой, установлены зависимости силы сигнала от глубины погружения и длины волны. В то время проводились также опыты по направленному излучению и управлению по радио. Параллельно он вел исследование по теории возбуждения колебаний с использованием ламп.
В 1918 г. Папалекси вместе с лабораторией переехал в Москву, где принял участие в организации новой лаборатории при Шаболовской радиостанции. Но вскоре по приглашению Л.И. Мандельштама он уехал в Одессу, где вместе с Л.И. Мандельштамом принялся организовывать Одесский политехнический институт. В институте он вел преподавательскую деятельность и опубликовал первую часть своего исследования по теории лампового генератора. С лета 1920 г. он состоял также консультантом Одесского государственного радиозавода. Кроме того, в Политехническом институте он организовал вакуумную лабораторию и с помощью студентов наладил в ней производство радиоламп.
Благодаря заботе студентов ему удалось преодолеть тяжелую болезнь, развившуюся в это время. Выздоровлению способствовала и закаленность Папалекси. Он был спортсменом-альпинистом, конькобежцем, велосипедистом, любителем лыж, регулярно выполнял гимнстические упражнения.
В 1922 г. Н.Д. Папалекси с Л.И. Мандельштамом переехали в Москву в качестве консультантов радиолаборатории Треста заводов слабого тока. Эта лаборатория вместе с правлением Треста в 1924 г. была переведена в Ленинград, где преобразовалась в Центральную радиолабораторию (ЦРЛ). Ее научным отделом руководили оба ученых.
В этот период Папалекси вел ряд исследований радиоламп, явления «блокинга» и динатронного эффекта, из-за чего лампы выходили из строя, исследование сеточной модуляции, регенеративных схем, был разработан метод вторичных биений и на его основе – точный способ измерения частоты.
В 1925 г. было положено начало новому направлению исследований – изучению параметрических явлений, которое сыграло большую роль в развитии радиотехники. Первоначально были исследованы параметрическая модуляция и параметрический резонанс. Затем (в 1928 г.) исследовались резонанс второго рода, схема деления частоты, разрабатывался автопараметрический фильтр. Тогда же проводились исследования кварца и кварцевой стабилизации, решались з адачи измерения глубины модуляции, параметров и тонкой структуры частот кварца (1929–1930 гг.). Многие из этих работ выполнены совместно с Л.И. Мандельштамом.
