开创化学新时代
早在20世纪40年代，杨石先就对植物生长调节剂（植物激素）进行了大量的文献普查，并写出了《植物生长激素》的书稿，为50年代开展植物生长调节剂的研究奠定了基础，对我国的农药研究起到了带头作用。
新中国成立后，他多年的苦闷与彷徨一扫而光，党和人民的信任使他感到无限的欣喜，他决心全力以赴投入科学教育工作中。1954年9月，在第一届全国人民代表大会期间，周总理在办公室里接见了杨石先，和他进行了长时间的亲切交谈。周总理指出：“你是科学院学部委员、化学组组长，应把精力集中在科研工作上。我们国家科研队伍很小，力量很薄弱，应尽可能地加强这方面工作。”他坚信并遵循周总理的正确指示，把自己的主要精力转向了科学研究方面。通过长期观察，他发现国际上农药研究有从无机农药、植物性农药向有机农药过渡的趋势，于是他开始在我国倡导并实践有机农药化学研究的方向。他首先合成了一些芳烃乙酸、卤代芳烃乙酸和丁烯二酰胺类新植物激素。通过这些微量物质对促进西红柿生长和抑制马铃薯发芽等实验结果，他观察到化学结构和生理活性之间一些很有意义的联系，几年后根据这些工作的积累，他与科研人员筛选出适合我国生产工艺的含氯丙烯季胺盐类新植物激素“矮健素”。它能使小麦、棉花增产10—20％。并可增强作物的抗旱、抗碱能力。
1956年7月，杨石先参加了我国十二年科学远景规划会议，作了《化学科学与国民经济的关系》的报告，论述了化学科学及其领域在国民经济中的巨大作用，为我国在化学方面制订科技远景规划提供了依据。他还指出，化学研究工作只有与社会主义国民经济的需要紧密结合起来，才能发挥巨大的威力。他的报告受到了中央领导极大的重视。在会上，他还响应周总理提出的“要勇于接受国家任务”的号召，毅然放弃了从事几十年的药物化学研究，接受了元素有机化学和有机农药的研究任务。周总理对他接受农药研究工作的任务很关心，对他指示说：“你先找几个人工作两三年，先不要向国家伸手要钱、要人，你们做了工作，国家自有安排。”杨石先按照周总理的指示，回校后动员了陈天池教授和陈茹玉教授，和他们带领着助手开始了有机磷农药的研究工作。
他先抓住磷酸醋类结构的改变会带来生理作用的变化这个特点，向当时国内尚属空白的有机磷化学开始了探索。他带领助手们克服了某些有机磷化合物不易分离和毒性大的困难，深入地研究了一硫代（酮式）磷酸酯类、一硫代（醇式）磷酸酯类、二硫代磷酸酯类、磷酰胺酯类、磷酸酯类等类型化合物的研究，以涉及的专题来说，有有机磷杀虫剂、有机磷杀菌剂、有机磷除草剂。
在基础理论研究方面，有有机磷化合物的互变异构现象和水解动力学、有机磷离子交换剂、有机磷化学的反应机理等。特别在有机磷化合物的化学结构和生理性能间的关系方面积累了大量数据，对含磷的不同价键，如P—O、P—N、P—S、P—C键的稳定性和其生理活性的影响有了进一步的、规律性的认识。
1957年11月，杨石先以专家顾问的身份参加了中国科学技术访苏代表团。在访问中，他发现元素有机化学是一门新兴的学科，是有机化学的最新分支，虽然发展时间不长，却显示了强大的生命力。它将在国民经济和国防建设上发挥巨大作用，还将有助于解决化学上的一些理论问题，如分子中的原子相互作用、反应机理、键的构造和分子性质、双重反应性能、互变异构平衡、单键共轭概念等等。回国后，他在国家有关领导部门的支持下，在开展有机磷化学研究的基础上，积极地准备开展有机化学中的新领域——元素有机化学的科研工作，并提出在南开大学筹备成立研究所。
1958年，毛主席到南开大学视察了他和师生办起的“敌百虫”、“马拉硫磷”两个农药车间，对他们的工作给予了很好的评价。这一年，他当选为中国化学会理事长。1962年春，他参加了全国农业规划会议，并作了《关于我国农药生产特别是磷有机农药生产的几点意见》的报告，会上他激动地讲到：“农药界的人士这次建议在南开大学化学系建立一个农药研究室，在短期内做出大量成果，使我国农业生产得以早日过关，植保水平很快接近和赶上世界最先进的国家。我个人和许多农药研究工作者是抱有这样信心的。”之后，他又一次受周总理委托，创建了我国高等学校第一个化学研究机构——南开大学元素有机化学研究所，之后聂荣臻副总理还和他详细讨论了元素所的发展规划。
除了有机磷化学研究之外，他又开展了有机氟、有机硅、有机硼、金属有机化学等新领域的研究工作，填补了我国化学学科中的一个又一个空白。杨石先以他渊博的有机化学、无机化学、药物化学和园艺学等方面的学识，带领着科研人员，经过数以百计的实验，在吸收外国经验的基础上，开辟了我国自己发展农药的道路，研制出了久效磷、螟铃畏、除草剂一号、燕麦敌、除草剂十六号、灭锈一号、克菌壮等多种农药。1966年，他们研制的3种有机磷农药获得国家一等奖。后来杨石先又密切地观察了化学农药中新的生长点，先后组织了拟除虫菊酯类、非抗胆碱酶型杀虫剂、内吸性杀虫剂、大豆生长激素、骆驼蓬草碱、异噻唑杂环化学等新课题的研究工作。
1978年，在全国科学大会上，他主持下的元素有机所的10项研究成果受到了大会的表彰。杨石先荣获全国科学大会在科学技术工作中做出重大贡献的先进工作者称号。他们研制的8种除草剂、杀菌剂、杀虫剂已在各地农药厂正式生产，他们试制成功的“胺草磷”又一次把农药研制工作推向新的水平。
1988年8月，国家科委对南开大学杨石先、陈茹玉、陈天池等人在有机磷生物活性物质与有机磷化学方面的成果授予了1987年度国家自然科学二等奖。
攻克水稻“癌症”
20世纪70年代初，我国水稻产区发生了白叶枯病，每年因此减产约百分之十左右，个别地区减产高达四五成。白叶枯病被称为水稻的“癌症”，几十年来在占世界水稻种植面积90％以上的亚洲地区广泛流行，我国水稻产区也屡屡发生。这种病传染起来非常可怕，特别是遇上暴雨和大风，一天之内可使成千上万亩水稻枯黄。为防止蔓延，人们常常不得不放火将病稻烧尽。这不能不说是一种毁灭性的灾害。尤其令人痛心的是，我国科技人员研究成功高产杂交水稻品种，亩产可达1500斤左右，但这种水稻极易感染白叶枯病。当时西方国家研制成功了防治白叶枯病的农药，但对我国严密封锁技术，只同意高价出售。不得已，国家只得用大量外汇进口。杨石先看在眼里，急在心里。为了攻克白叶枯病，他指导他的助手们在实验室里不知疲倦地进行研究工作。为了查阅文献资料，不管风雨寒暑，他是资料室里仅有的几个人中来得最早、走得最迟的一个。在他的领导下，经过一年多奋战，做了近百个合成物，试验了一个又一个方案，“皇天不负苦心人”，新的农药——“枯叶净”终于试制成功。它每吨的生产成本不到进口农药的一半，而且能使高产杂交水稻增产一两成。白发染鬓的杨石先终于攻克了水稻“癌症”。看到科技成果转化为生产力的巨大作用，他更加坚定了科研工作要为国民经济和社会主义建设服务的正确方向。
重建元素所
“四人帮”覆灭后，看到几乎被“四人帮”毁灭的科学事业开始萌动着生机，杨石先感受到精神解放的无比欢悦。“但得夕阳无限好，何须惆怅近黄昏。”年逾八旬的杨石先满怀信心地开始着手医治元素所所受到的创伤。元素所由于进行的是应用课题的研究，虽然受到的破坏不像基础研究那么大，但是，骨干大都被调走，而且十几年间所里几乎没有获得新的研究仪器，许多已有的设备被损坏。他经过多方筹划，在短短的两三年时间里，相继调回了一些科研骨干，收回了农药中试车间，争取联合国贷款从国外购置了先进仪器设备，建立了毒理室、激素组和剂型组，健全了农药科研体系，积极指导该所科研工作的恢复和发展，并且还亲自译书，亲自培养研究生。人们无不为他的精神所感动。
但是，他所面临的问题绝不仅是这些，科学本身，即农药的发展趋势问题又摆在了他的面前。20世纪70年代末期，出现了一种将农药与环境保护对立起来的有害观点，认为植物的病、虫、草害将由生物防治取代化学防治，致使在我国农药产量还不能满足需要的情况下，造成几十种农药停产的现象。基于对世界农药领域发展趋势的长期观察和研究，杨石先对解决农药污染问题持乐观态度。
他坚信，化学给人类带来的困扰，最终也将依靠化学来解决。他在“现代的化学农药”的报告中明确指出：化学防治在任何国家中至今都是重要的植物保护手段，而且仍在发展之中。环境问题的提出使化学防治手段受到冲击，确是一件大好事，使我们考虑如何战胜污染、保护环境。包括化学、生物在内的综合防治才是植物保护唯一正确的方针。正是由于他不断地给予科研工作以权威性的指导，才使元素所成功地研制出各种杀虫剂、杀菌剂和除草剂等十几种新农药，为促进我国农业的发展做出了重大贡献。