団藤は死刑廃止論者として知られているが、従来は死刑に賛成の立場であった。しかし、ある事件（この事件を名張毒ぶどう酒事件とする見解もあるが、同事件は就任前の1972年の最高裁判決であるため誤りである。実際は1976年の波崎事件の最高裁判決である。）で陪席として死刑判決を出した際に、傍聴席から「人殺し」とヤジが飛んだ。この事件では、団藤は冤罪ではないかと一抹の不安を持っていたうえに、被告人も否認していた事件であった。これを契機として、被告人が有罪であるとの絶対的な自信がなかったこと、そして冤罪の可能性がある被告人に対して死刑判決を出したことへの後悔と実際に傍聴人から非難されたことなどから、死刑に対する疑念が出てきたとのことである。最高裁判事退官後は、東宮職参与、宮内庁参与を歴任しながら死刑廃止運動や少年法改定反対運動関連の活動など、刑事被告人の権利確立のための活動に重点を置いた。「人間の終期は天が決めることで人が決めてはならない」と発言している。
東大退官後、1974年から1983年まで最高裁判所判事に就任した。強制採尿令状は彼の考えによるものと言われる。大阪空港訴訟では、毎日午後9時から翌日午前7時までの空港の利用差止めを認めるべきか否かという問題について、訴えを却下した多数意見に対して、差止めを認めるべきとの反対意見を述べた。自白の証拠採否について「共犯者の自白も本人の自白と解すべきである。」という補足意見を書いて、捜査における自白偏向主義に一石を投じた（もっとも、共犯者の自白が相互に補強証拠になりうるとしているため、当該事案の結論に影響はない。最判昭51.10.28参照）。学者時代は共謀共同正犯を否定する代表的な論者であったが、最高裁判事としては、実行行為に出ていないものの、犯罪事実について行為支配を持った者を正犯として評価することを是認する肯定説の立場にたった。この点について、団藤は実務家としては判例の体系を踏まえなければならず、学者としての良心と実務家としての良心は必ずしも一致しないという見解を示している。そして団藤は、肯定説に立ちながら行為支配の理論等による修正を提唱している。
戦後の新憲法制定に伴う法制改革の際に、各種の立法に関与した。刑事訴訟法（1948年制定）の立案担当者の一人である(その他の担当者として、中野次雄、植松正、岸盛一、西村宏一、佐藤藤佐など)。
午後6時53分、地下線から高架線に登ってブールヴァール・バルベス駅に到着したナシオン行43列車（8両編成）は、先頭車両のモーター付近から煙をあげていた。直ちに乗客をプラットホームに避難させ、集電靴を引き上げたところ発煙はおさまった。このとき駅は帰宅客で混雑していたため、メトロ職員らは早期の運転再開のため43列車を自力で最寄りの待避線まで移動させることにした。これが最初の致命的な失策だった。職員らは発煙の原因は登り坂での過負荷によるものと考えていたが、実際には回路が短絡を起こしていた。43列車は午後7時05分にブールヴァール・バルベス駅を発車したが、すぐに黒煙を上げはじめ、地下区間に入ると運転席で運転することは困難になった。そこで地下区間最初の駅であるコンバ(Combat)駅（現コロネル・ファビアン駅）で停車し、集電靴を上げると火災はおさまった。しかし再び集電靴を下ろすと火災が再発し、今度は集電靴を上げることすらできなくなってしまった。木製の部品が焼け落ちてしまったためである。運転士は車外に避難したが、最後尾の運転台から運転することは構造上不可能だったので、後続列車に押してもらうことで43列車を移動させようとした。このとき後続の52列車（4両編成）はブールヴァール・バルベス駅で43列車から下ろされた乗客を乗せ、リュ・ダルマーニュ駅まで来て信号の開通するのを待っていた。乗客はホームに降ろされ、52列車はコンバ駅まで進んで43列車の後尾に連結された。7時32分、連結された43・52列車は52列車先頭車のモーターのみを使ってゆっくりと発車した。同じ頃、さらに後続の48列車（4両編成）がリュ・ダルマーニュ駅に到着し、43列車・52列車からの乗客を乗せて地下線に進入した。43・52列車は次のベルヴィル駅に到着した。ここには待避線があったが、43列車を待避線に入れることに失敗した。そこでそのまま8駅先の終点ナシオン駅まで向かうことにした。次のクロンヌ駅を通過した際には、駅長が火災が激しくなっていることに気づいていた。48列車がクロンヌ駅に到着したときには、前方のトンネル内には煙が充満しており、運転士は駅長と対応を協議した。ここに至ってようやくメトロ職員らは危険を認識し、48列車の運転を打ち切って乗客を地上に避難させることにした。しかし乗客たち、特に43列車や52列車から下ろされた者たちの一部はこの措置に不満であり、運賃の払い戻しなどを要求したため駅は混乱した。こうして貴重な時間が浪費された。43・52列車が次のメニルモンタン駅に着いたときには、火災はもはや手のつけられないほど激しくなっており、運転士らは運転を断念してホームに脱出した。最寄りの変電所から第三軌条への給電が打ち切られたが、この路線は電気的に複数のセクションに分割されてはいなかったため、他の変電所からの電力は供給されたままだった。このため短絡した回路には電流が流れ続けた。午後8時ごろ、駅の照明用の電力を供給していたケーブルが火災のため焼き切れ、クロンヌ駅は闇に包まれた。同時にメンモルタン駅からトンネルを伝って煙がクロンヌ駅に流れ込んできた。駅にいた乗客らは暗闇のなか煙に巻かれ、道に迷い出口にたどり着くことができず次々と窒息した。乗客の一部は煙の流入するメンルモンタン側と反対の方向に逃げようとしたが、ホームのそちら側には階段がなかった。最終的に死者は84人に達した。うち75人はクロンヌ駅で、7人はメンルモンタン駅で、2人はトンネル内で発見された。43・52列車の車体は台枠を残して完全に燃え尽きていた。