沙眼衣原体分离成功后，汤飞凡将研究重点转向当时对儿童的健康和生命威胁极大的麻诊和脊髓灰质炎。1954年恩德斯发表了用组织细胞培养分离麻疹病毒成功的报告。汤飞凡认为这是病毒方法学的一个突破，必须尽快掌握它。1955年，他就领导闻仲权开始建立了人胚和猴肾细胞的组织培养。1958年，在他的指导下吴绍元分离出中国第一株麻诊病毒M9。组织细胞培养技术的建立，不但使麻疹病毒分离成功，而且为制造脊髓灰质炎和麻疹疫苗奠定了基础。

    汤飞凡自从1954年恢复研究工作以来，成果累累。他眼看着一些年轻人在他的手下茁壮成长，十分高兴。他对夫人说：“到底是在新社会，我这一生从来没有在这样短的时间里顺利地作出这么多工作”。可是，一场悲剧突然发生了。他在“拔(资产阶级)白旗运动”中受到不应有的批判，于1958年9月30日清晨自杀。噩耗传来，人们不肯相信，像他这样一个意志坚强、百折不挠的人怎么会选择自杀的道路?也许正是他倔犟的性格和强烈的自尊心使他宁愿庄严地死去，也不甘无端的受辱!

    汤飞凡的学术成就不只是沙眼病原体的发现。他在病毒学发展的早期就有过重要贡献。20年代末到30年代中，当时甚至病毒是有生命的还是无生命的还在争论，那时还没有电子显微镜、超速离心机等现代化仪器设备。汤飞凡和秦瑟利用砂棒滤器、普通离心机等简单设备，用物理方法证明了病毒是可过滤的、能离心沉淀的、能自我复制的、有生命的颗粒，是寄生于细胞内的微生物。他们还研制成第一代微孔滤膜(火棉胶膜)，并用它测定出各种病毒的大小。汤飞凡也是最早研究支原体的科学家之一，1936年和他的学生魏曦首次描述了支原体的五个形态不同的发育阶段：颗粒状、丝状、分枝、成链和崩解阶段，阐明了支原体的生活周期。汤飞凡是一个前程远大的科学家，他的过早逝世是中国和世界科学界一个无可弥补的损失。

    凡是知道他的人没有一个不惋惜，说他不应该死，随着时间的流逝，人们对他更加怀念。正在努力实现四个现代化的中国多么需要这样的科学家!国际学术界没有忘记他，他死后许多年里还不断有外国科学界人士询问他的情况和通讯地址。著名的中国科学技术史权威李约瑟爵士在得知他的死讯后给北京生物制品研究所的一封信里说：“回顾能结识你们国家的这样一位杰出的科学公仆，感到荣幸。”他称赞汤飞凡是“19世纪英国谚语里的‘人类的朋友’”，是“预防医学领域里的一位顽强的战士。”1981年国际沙眼防治组织向他颁发了沙眼奖状和奖金;1982年他获得国家自然科学二等奖。

    汤飞凡短短的一生能有这样的成就是和他有一位忠贞的伴侣分不开的。他的夫人何琏在他的生前，对他的生活照顾得无微不至，在事业上给他以无条件的支持。抗日战争爆发后，她放弃在上海租界里有洋房、有汽车的优裕生活，随丈夫到艰苦的大后方。在中华人民共和国成立前夕，汤飞凡接到英、美好几家大学的聘请，本来准备移居海外，这对何琏来说是十分自然的选择，因为她的父亲是著名的国民党将领何键，共产党来了会对她怎样，不能不使她担扰。但是因为汤飞凡不愿意离开祖国去寄人篱下，她支持他的决定，和他一起留在大陆。汤飞凡死后，她为了维护他的名誉和保卫他的学术成果进行了坚韧不拔的斗争。

    为纪念他的卓越贡献，邮电部于1992年11月22日发行了汤飞凡纪念邮票。