极为关注中国科学院的基本任务和主要研究方向。文化大革命以来，中国科学院的正常科研秩序被完全打乱，研究方向游移不定。他认为科学院的研究方向不应该像个“门诊部”，在研究工作中应该重视基础理论研究，而且应不断提高。科学院在文化大革命中有许多研究所在体制上几经变动，一些科研单位划归国防系统；另一部分研究所则下放地方，使得中国科学院这个全国自然科学研究中心的综合研究实力大大下降。例如地理研究所不是把主要精力放在收集并研究来自自然界的第一手资料，却是为了应付当时的需要，花了很大力量去做外国地理和边疆地理的汇编工作。竺可桢对科学院当时的方向任务缺乏明确重点，犹如一个“杂货铺”和“门诊部”深表忧虑。竺可桢认为：如果没有足够的理论研究，我国科学事业和社会经济发展必然会丧失后劲，我国的经济实力必然提高不快，与世界科学水平的差距必将越来越大。竺可桢曾就中国科学院总的研究方向上书周恩来、郭沫若，并向科学院当时实际负责人刘西尧当面表示了他的上述看法。1972年1月31日，他写信给郭沫若，认为科学院究竟坚持什么研究方向，至今尚在“彷徨歧途”，必须强调基础研究这个大方向，对原子物理、分子生物学、细胞生物学以及日地关系，以至于大陆海洋起源等问题，都应有一定数量的人力物力来进行研究。他在和刘西尧谈话中，希望科学院要保持理化方面的研究实力，不能将大部分化学研究所转交给国防系统和地方，因为这是从事基础研究的“基础”。地质、地球物理和海洋等研究所都是从事基础科学研究，应当面向全国，不宜划给生产部门或地方；就是承担生产任务时，也要了解全过程，从中找出规律性的东西。1972年2月24日，他和地理研究所左大康等四人谈话时，强调地理研究所作为中国科学院一部分，必须注重于理论研究的提高，要把重点放在影响全局的战略问题上。当时左大康介绍说：地理所拟在黄淮海地区开展以水热平衡和循环为中心做抑制蒸发的实验研究，作为该所当时的研究重点之一。竺可桢则认为，这项任务虽然重要，但它不能根本解决黄淮海地区的水源问题，只能作为黄淮海地区的战术问题来考虑，希望地理研究所抓住战略问题，即在黄淮海地区的水源问题上多下功夫。竺可桢这一提示，一直指导着地理学界紧紧把握研究工作的主要方向。竺可桢还在各个场合，提醒科学院当时的实际负责人，要重视西藏地区的综合考察、蟹状星云和中子星的研究等等。这些意见虽未被当时科学院当权者接受，但对保留一部分研究力量，促使一些研究所（如海洋研究所）迅速回归中国科学院，起到了相当重要的作用。
竺可桢密切注视着国际上科学发展的动向。1966年动乱开始后他主要通过阅读英文的《科学》和《自然》两本周刊来了解国际动向，发现我国原来已经领先的研究领域，由于“文革”动荡停顿下来，已经落后了。例如胰岛素晶体结构的人工合成及其晶体结构研究，如果能继续研究，不仅可以完全保持我领先地位，甚至可以为国家争取到最高学术荣誉，但是由于文化大革命中断了研究而被英国赶上来。又例如，我国早在公元1054年宋代即对超新星有详细的观察和记录。从60年代开始，国际天文学界对超新星爆炸后形成的蟹状星云的研究报告日益增多，然而我国对这方面的研究却无所作为。随着板块学说的兴起，有关大陆飘移对地质构造的特征，特别是海洋地质及各种矿产资源生成规律等基础理论研究，在国际上可谓日新月异，但在我国却几无动静。竺可桢了解到这些动向以后，通过各种渠道提出建议，希望推动有关研究工作的正常开展。
坚持学术研究。竺可桢在动乱岁月中，以惊人的毅力和智慧，继续专心致志地进行气候变迁和物候学的研究，撰写出《中国近五千年来气候变迁的初步研究》和《物候学》修订稿。把这两方面的研究推向新的高度，作为凝聚着科学家毕生之力的代表作留在人间。前者是竺可桢研究了近五十年的重要课题，积累了作者几十年的深思，开创了这个研究领域的先河。这篇文章最早完成于1966年文化大革命初期，原文用英文写成，作为作者参加罗马尼亚科学院成立100周年庆祝活动的礼物，但是并未公开发表。作者又用了四、五年时间，继续在我国古籍中猎涉了许多描述我国气候变迁的资料，同时注视国外同类研究，经过融合提炼，得出我国历史上不同时期的气候变化趋势，竟和西欧国家采用新技术方法所得到的结论大致相符。《物候学》是在1963年出版的一本知识性读物，问世以后即得到热烈欢迎，经作者修订后原拟立即再版。文化大革命开始后，书稿被出版社一小伙人焚烧，竺可桢不得已又重撰其稿，吸收了近几年新观察所得的资料，同时注意到当时环境污染给物候所带来的影响。另外，又增加了《一年中生物物候推移的原动力》一章，以辩证唯物主义的观点来分析物候的变化，不尽是受外部气候的影响，必须通过生物内部机制变化才能起作用。《物候学》虽然是一本科普性读物，却耗费了作者大量心血，是他进行物候观测几十年的科学总结，也是我国物候学研究的经典之作。
竺可桢当时除著述以外，还以大自然作为实验室，以科学家的科学敏锐，捕捉大自然环境变化的信息。他守着寓所附近极其有限的小天地，精心观测几种植物的物候变化，观察各种候鸟寒暑迁徙和数量的变化，使他积累了几十年的物候记录得以继续延伸。他亲自操作，对金银花的叶面施以不同农药，从中观察药效和不同环境下虫害的发展情况。他甚至亲自打扫院落，精心地实测尘埃的单位面积重量。通过这些十分平凡但又有重要意义的科学实验，他不但感到当时自然生态环境已经“鸦雀无声”，而且预感到由于过度开垦，可能导致大面积水土流失和土壤风蚀，进而引发生态环境的进一步恶化。
积极参与外事活动。1972年前后，中美关系出现转机，中断了20多年的两国交往逐渐恢复，而科学家的来往是其中先行的重要方面。1971年8月著名华人学者杨振宁首先回国省亲、访问，得到周恩来总理的亲切会见，也见到阔别多年的师辈与同窗，以及中国科学院领导人。由此开始，众多的美籍华人学者不断回国访问，中国科学院的对外交往开始复苏。竺可桢作为中国科学院副院长、国际上有相当知名度的学者，又是许多著名华人学者的师长或老朋友、老同事，在这种形势下，他担负了许多接待工作。他们中间有李政道、赵元任、陈省身、任之恭以及英国皇家学会会长霍奇金爵士、著名英国科学家李约瑟、美国哈佛大学费正清等。竺可桢向他们介绍建国以来中国科技事业的巨大成就，中国科学院的性质、任务和研究方向，探讨双边合作的可能与具体内容。当时文化大革命尚未结束，中国科学院的领导体制很不健全，一些领导人不便对外，竺可桢与吴有训副院长一起，承担了大量其他人无可替代的工作，为发展当时民间外交和沟通对外科技合作发挥了重要作用。
在接待“内查外调”中认真保护干部和知识分子。竺可桢在文化大革命中另有一项重要的工作，也是他的特别贡献，就是他曾接待了全国各地几百批审干调查来访来函。他都认真谨慎、实事求是地翻阅了他自己几十年来的日记，有理有据地回答了所提出的问题，缓冲或解脱了这些同志所遭到的非法审查和冲击，从而保护了一大批知识分子和干部。
来向竺可桢进行这种调查的，大体有两类情况：一类是在所谓“清理阶级队伍”前后，在打倒一切，怀疑一切思潮的影响下，从旧社会过来的知识分子几乎都成了怀疑对象；另一类是在“三结合”的过程中，两派人员对某人持有不同意见而进行有某种倾向性的调查。因此有不少被调查人由不同人来调查好几次，使得竺可桢大有应接不暇之感。据1968年不完全的统计，全年共接待了183批。据此估算，在动乱中前后几年共接待了500批左右。竺可桢对这类调查除了认真查阅自己的日记以外，还要客观地加以分析，有一次为了查清一个人某一具体问题，他竟花上两天时间去翻阅他前后许多年的日记。
浙江大学西迁以后，日军从广西攻打贵州，贵州形势告急。浙江大学有92位青年学生投笔从戎，参加了当时组织的“青年远征军”，竺可桢当时在日记上记下了这批爱国学生的名单。二十年后，因为他们当时参加的是国民党军队，这些人就成了“清理阶级队伍”时的整肃对象。面对调查人员，竺可桢从当时历史条件出发，理直气壮地为他们辩护，充分肯定了这批同学爱国抗日的行动，从而为这批干部澄清了历史真相，免受更多的政治迫害。
竺可桢十分关心对翻译家和作家叶君健的处理。叶在1947年作为留英研究生，为当时参加联合国教科文组织会议的中国代表团任翻译。竺可桢是中国代表团成员之一，在此期间和叶君健有较多接触。但是这段经历却成为十年动乱中确定叶君健政治历史的关键，外文出版局中国文学杂志社的“造反派”多次派人来调查了解。竺可桢认为一个普通翻译人员在当时国际活动中做了积极有益的工作，不能作为参加国民党组织活动的根据。当这些人仍然对此抓住不放时，他毅然提出反问：“我是代表团正式成员况且不予追究，要如此对待一个翻译人员岂不缺乏政策根据？”竺可桢的仗义执言，使调查者哑口无言。
竺可桢更证明了曾呈奎等一大批科学家，为了献身科学研究事业，与美国政府和有关科学组织正常来往的经过，断然否定一些人诬指他们“从事特务活动”或“卖国主义”的不实之词。
在到处批判所谓修正主义路线和黑线专政的鼓噪声中，竺可桢本着独立思考，尊重历史事实的精神，以自己的亲身经历，充分肯定了建国以来我国各方面所发生的巨大进步，特别是科技事业飞速发展的事实。1968年2月，在科学院造反派策划的一次会议上，他顶住政治压力，力排众议，以具体事实批驳了所谓科学院17年来“执行了修正主义路线”的谬论，充分表现出这位科学老人一贯坚持“求是”精神的高尚情操。
竺可桢于1974年2月7日因病逝世。