在流亡到北平的东北大学复学后，佟冬又经学校介绍，进入中国大学借读。此时的他一边用功读书，一边到东北大学图书馆帮忙抄写书签，以挣点儿生活费。

在中国大学借读期间，佟冬结识了在东北大学学生会工作的关山复等人。

1935年，“一二·九”学生运动爆发，北平数千名学生走上街头，举行示威游行。就在游行队伍当中，书写着“东北大学”的一个横幅被高高举起，佟冬和同学们振臂高呼“各党派联合起来”的口号。“东北大学”这四个透露出慷慨气息又有几分书卷味道的漂亮毛笔字，正是出自佟冬之手。那是当时情急之下，把寝室里的白色被单扯下来，由佟冬在上面泼墨挥就的。游行学生举着“东北大学”横幅的激昂场景，在现存的“一二·九”学生运动文献纪录片里还留有珍贵的影像。后来，这段珍贵的影像出现在电影《青春之歌》当中。

1937年，卢沟桥事变之后，佟冬随东北大学的同学撤离北平，辗转来到延安，先是进入抗大政治教员训练队学习，不久转入中央马列学院，短暂学习后，进入该院历史研究室工作，成为中国共产党史学研究的开创者之一。1938年，佟冬参与写作由范文澜主编的《中国通史简编》，负责秦汉至三国部分，全书于1941年出版。佟冬也正是在此时迈过历史学的门槛，开始深入接触社会科学研究工作。

1943年，佟冬被调往五省联防司令部，直至1945年日本投降。在此期间，他常常在空闲时给萧劲光等部队首长讲解《资治通鉴》等历史典籍，而萧劲光等人听得津津有味。因为佟冬是土生土长的东北人，按照中央安排，他于1945年回到东北参与根据地建设，先后任鞍山市政府秘书长、辽阳市委宣传部部长、辽阳市参议长、辽东省委秘书科长、省委组织部副部长等职。

此时，佟冬终于和多年未见的妻儿团圆了。多年的离别让人心生感叹：这就是战争，那种妻离子散，又久别重逢的滋味只有经历过的人才真正懂得。

1951年10月，根据佟冬的专长，党组织安排他任东北工学院长春分院的院长，不久，又调到沈阳，任总院党委书记。佟冬发挥自己在教育方面的优势，迅速把东北工学院带入正轨，较好地完成了国家培养高级人才的需要。

1952年，国家大规模地进行高等院校的调整，在长春，东北人民大学的数、理、化都由当时国家顶尖级的专家牵头创立，可是文科方面却有些薄弱，特别是历史学方面。

从一无所有到创办完成，建一个系的难度其实并不比建一所学校的难度小，谁能既有资历又有经验呢？在历史系主任空缺了一年之后，校长吕振羽想到了身在沈阳的佟冬。可此时的佟冬毕竟是一所大学的党委书记，他能同意这样的安排吗？