1939年、雑誌「条件反射」を自費出版。1941年、研究動員を受け陸軍科学研究所嘱託となる。1945年、林研究所を創設して所長となり、翌年には慶應義塾大学医学部教授となる。執筆活動も再開し、翌年には『推理小説叢書』を監修。ここで、のちに定着する「推理小説」という言葉を用いる。同年、「新月」で第1回探偵作家クラブ賞短篇賞受賞。翌年、「ロック」誌上で江戸川乱歩と論争。1951年（昭和26年）には復刊された「三田文学」の編集委員となり、木々は同誌の表紙・裏表紙のデザインも手がけている。松本清張は、同年3月に木々の推挽により三田文学に「記憶」を、さらに9月には「或る『小倉日記』伝」を発表している。1952年（昭和27年）、田村良宏（後のSRの会会長、筆名河田陸村）らにより創設され、紀田順一郎・大伴昌司らも参加した、慶応義塾大学推理小説研究会の顧問となる。1953年には、江戸川乱歩、大下宇陀児のあとを引き継ぎ、日本探偵作家クラブ（現・日本推理作家協会）第3代会長となった。1960年、『頭のよくなる本』で｢頭脳パン｣を提唱。米食を止め、パンを主食にするべきだと主張した（なお、この木々の主張の背景には、アメリカに本拠を置くいわゆる「穀物メジャー」からの強い働きかけ、さらには研究費の提供等があったことが現在では判明している）。1963年（昭和38年）2月には同人誌「小説と詩の評論」の創刊を主宰し新人の育成にも携わり、自身も詩や評論を発表している。1964年（昭和39年）に山梨県人会である山人会が発足すると、会員となる。1965年（昭和40年）3月には慶応義塾大学を定年退職し、名誉教授となる。1967年（昭和42年）には第一詩集『渋面』を、1969年（昭和44年）には第二詩集『月光と蛾』を刊行する。第三詩集の刊行も構想されていたが、未完に終わる。1969年4月に入院し、同年10月31日に心筋梗塞のため聖路加国際病院で死去する。72歳没。
その後の消息は原作では描かれなかったが、アニメ版第171話「かえってきたオズマ」および172話「オズマの死」では以下の様な悲劇的な最期が描かれた。帰国後カージナルズに復帰したオズマはメジャーリーグでいきなり三冠王を達成するほどの大活躍をするが、アメリカはベトナム戦争の時期にあり、オズマにも三冠王のパーティー時に兵役カード（召集令状）が届いた。黒人街に住む幼なじみのジェニーと男友達は戦争に行くなと止めるが、「オレはアメリカ人だ。アメリカ人に与えられた義務は果たさなくてはならない」と聞き入れず従軍（ここでジェニーはオズマを「黒人街の人々は、黒人の魂を売ってしまったあなたを許してはいない」と反論する）。戦地では常人離れの戦果を挙げるが仲間をかばい、砲弾の破片が背中に刺さり、名誉の負傷を負う。負傷兵として勲章も授与され、帰還を許されたオズマは日本の横田基地を経由して帰国することとなり、その中途で飛雄馬と再会して喜びをともにする（ここで飛雄馬に前述の活躍を話す回想シーン）。その後、無人のグラウンドでオズマの心残りであった大リーグボールとの対決（既に3号の時代になっていた）を遂に果たす。2球目で「3号は1号の応用である」と誤解、「ならば『見えないスイング』が通用するはず」と第3球を捉えようとした際に突然傷が痛み出す（ちなみに、一応バットは球に当たった。なお、痛むのは背中のはずだが右肩付近の部位を抑えてうずくまっていた）。飛雄馬とは再勝負を約束し、再び無念を抱いて帰国の途についた。帰国したオズマは英雄ともてはやされるが、そんな時期は長くは続かなかった。彼の背中に刺さった砲弾の破片は野戦病院の治療では除去しきれずに背骨にまで達しており、脊髄損傷状態のまま球界に復帰したのである。戦場と球界のダブルヒーローを獲得する為、背中の激痛に耐えながらオズマは成績を上げる。しかしパイレーツとの試合中、オズマのスイング姿勢が激痛で背中を向けたまま硬直状態になり、そこに投球が当たって、破片は背骨に食い込んでしまう。医師から「摘出手術を行うと神経が切れるので手術は不可能」「絶対安静にするしかないが、すでに右脚の自由がきかなくなりつつある状態」と宣告された監督は、球団に報告。退院して喜ぶオズマに解雇通知が送られる。再起不能の事実を知らない（ジェニーも母親も黙っていた）オズマは解雇に納得いかず監督のもとに押し掛け、そこで事実を聞かされる。そして乗っている車椅子も球団が再起を期待して買ってくれたものと思っていたが、じつは監督のポケットマネーだったと知り、全てを失った事を悟る。その直後から容体が急変し、生まれ育った黒人街に戻った時には危篤状態に陥り、ジェニーと母親に看取られビルの照明やネオン輝く白人街の夜景を見つめながらライバル飛雄馬の栄光を願いつつ、国からもらった勲章を握り締め「あのきれいな光の中で、オレの得た物は結局これだけ…。今まで得たものは、結局これだけだったんだ!!」と息も絶え絶えに叫んで絶命。非業の死を遂げた。その悲報は国際郵便の手紙によって飛雄馬の自宅マンションにも送られ、オズマがかつて使用した「大リーグボール打倒ギブス」も一徹に返すようにと手紙に同梱されていた。この時、手紙には飛雄馬の事を『世界でただ1人の親友』と綴っている。このアニメ版での結末は、後年似た事例が「ベトナム帰還兵問題」と称されマスコミに取り上げられている。