В первые же годы деятельности института под руководством С.С.Кутателадзе началось создание экспериментальной базы для исследования динамики разреженных газов. Это направление с самого начала ориентировалось на использование методов криогенной откачки, высокотемпературного плазменного подогрева и электроннопучковых методов диагностики для исследования неравновесных процессов в высокотемпературных потоках низкой плотности. Эти работы завершились в 1972 году введением в строй генератора молекулярного пучка с криогенной откачкой. Сейчас Институт теплофизики располагает крупнейшим в мире вакуумным газодинамическим комплексом.
В 1965 году С.С.Кутателадзе избран директором Института теплофизики Сибирского отделения АН СССР.
Самсон Семенович — основатель научной школы теплофизиков и организатор больших исследовательских коллективов в Ленинграде и Новосибирске. Еще до войны он создал специализированную группу для изучения теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. В послевоенные годы С.С.Кутателадзе организовал лаборатории жидкометаллических теплоносителей, теплофизики, теплофизических свойств сплавов; четыре из пяти научных отделов Института теплофизики СО, АН решают задачи теплообмена фазовых переходов, пристенных турбулентных течений, гидродинамики газожидкостных смесей и неньютоновских жидкостей, радиационного переноса, динамики разреженного газа.
Под руководством С.С.Кутателадзе создано научно - производственное объединение теплофизического направления (Институт теплофизики, СКВ "Энергохиммаш").
В 1968 году Самсон Семенович избирается членом-корреспондентом АН СССР. В 1970 году на международной конференции по тепло- и массообмену награжден международной медалью Макса Джекоба, учрежденной Американскими обществами инженеров - механиков и инженеров - химиков, за выдающиеся достижения вобласти теплофизики.
Многие научные результаты Кутателадзе доведены до инженерных расчетных формул, которые вошли в справочную и нормативную литературу. В 1959 году издан справочник С.С.Кутателадзе и В.М.Боришанского по теплопередаче. Работы по жидкометаллическим теплоносителям, кризисам кипения, гидродинамике парожидкостных смесей стимулировались нуждами ядерной энергетики и других отраслей новой техники в 40—50-х годах. Большой цикл работ в ЦКТИ и на Ленинградском Кировском заводе был выполнен в связи с созданием новых конструкций паровых котлов, паровых турбин и конденсационных аппаратов.
По инициативе С.С.Кутателадзе работы по развитию криогенно - вакуумной техники продолжены в СКВ <<Энергохиммаш>>. Здесь на основе достижений института создается новое поколение вакуумных газодинамических установок. ,
В 1963 году Институт теплофизики получил задание академика М. А. Лаврентьева рассмотреть возможность использования термальных вод Камчатки. С.С.Кутателадзе и Л.М.Розенфельд предложили использовать для выработки электроэнергии бинарный цикл с хладоагентами, н на этой основе создана единственная в мировой практике ГеоТЭС с фреоновым турбогенератором на Паратунских термах Камчатки. Эксперименты показали возможность и экономическую целесообразность применения фреоновых турбогенераторов в качестве энергоблоков на нефтеперерабатывающих заводах при использовании сбросного тепла.
Научную деятельность С.С.Кутателадзе всегда сочетает с педагогической. В 1956 — 1957 годах он читал лекции в Военно-Морской Академии им. Крылова, а с 1963 года преподает в Новосибирском Государственном университете. Почти десять лет С.С.Кутателадзе руководит кафедрой теплофизики НГУ. Шестнадцать его учеников защитили докторские диссертации и более шестидесяти — кандидатские.
Созданный по инициативе Самсона Семеновича Сибирский теплофизический семинар приобрел всесоюзное значение. Здесь ежегодно обсуждаются результаты в области теории турбулентности, физической гидродинамики, теплообмена при фазовых переходах и энергетики.
С.С.Кутателадзе — руководитель межинститутского семинара и председатель координационного Совета Сибирского отделения АН СССР по проблеме «Турбулентность», член редколлегии журналов <<Прикладная механика и техническая физика>> и «Теплофизика высоких температур», член редакционного Совета «Инженерно - физического журнала».
С.С.Кутателадзе неоднократно представлял советскую науку за рубежом на международных конгрессах и конференциях по энергетике, тепло- и массообмену и гидродинамике двухфазных сред и является членом национального комитета по тепло- и массообмену, Ассамблеи международных конференций по теплообмену, Научного Совета международного центра по тепло- и массообмену, редакционного Совета «Международного журнала по тепло- и массообмену».
Им написано 10 монографий, которые неоднократно переиздавались в Советском Союзе, переводились в Англии, США, Чехословакии.
Заслуги С.С.Кутателадзе отмечены правительственными наградами: — орденом Ленина, Трудового Красного Знамени, «Знак Почета» и медалями.