1956年8月，中国科学院化学研究所于北京成立，下设无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学五个组。高分子化学组有近80人，其主体是由上海迁京的有机化学研究所的高分子部分。黄志镗从助理研究员做起，始终伴随着这个所的成长壮大。
　　1958年，化学所在“任务带学科”指导思想下，承担了国防军工任务，人员大幅扩充。1961年，中国科学院组织化学所等研究火箭技术，在怀柔建立基地，化学所成立二部，研制火箭用高性能燃料和耐高温、耐辐射、高绝缘的高分子合成材料。黄志镗也被从高分子合成室抽调到二部，研制高速飞行中的增强塑料和烧蚀材料。
　　黄志镗开展的有机硅材料成为早期主要方向之一，他合成了甲基乙氧基二硅甲烷，并进行了它们的水解缩聚的研究，同时还研究了含乙烯基聚硅氧烷树脂的制备及聚合，进一步研制了用于增强塑料的有机硅树脂，由此所得的增强塑料在高温下具有良好的介电性能。
　　火箭研制需要超高温下使用的烧蚀材料，研究所把这个任务交给了黄志镗，并成立了以他为首的小组。黄志镗小组曾先后研制出6种新型的耐高温树脂及固化剂，并推广进行小批量生产，为我国国防建设中所需的新材料，特别为我国航天事业及战略武器中的防热材料作过重要的贡献。
　　20世纪50年代以来，国际上对耐高温高分子的探索，较有成效的是芳杂环高分子，最有代表性的品种是聚酰亚胺，但成型加工条件更为苛刻。黄志镗等在热固性高分子方面的工作基础上，继续采用交联的方法解决了成型加工的难题，制成交联型的聚酰亚胺，长期使用温度可达300℃。而面向耐更高温的材料，又进行了一系列开创性的工作，设计合成了以对称三嗪为交联结构的新型芳杂环高分子，满足了多项国防需要。
　　20世纪70年代末，中国与西方国家恢复有机化学领域的科技交流，黄志镗于1981年初到联邦德国，进入波恩大学有机及生物化学研究所做访问教授，在杂环化学方面开展合作研究。1982年回国后，他继续该领域研究，为合成众多的新杂环化合物开辟了一条新路。黄志镗以在杂环烯酮缩胺方面的工作获得中国科学院自然科学奖一等奖（1994）和国家自然科学奖三等奖（1995）。
　　20世纪70年代末以来，国际上随着对冠醚、环糊精等大环化合物的深入研究，一类大环化合物——杯芳烃引起了化学家的注意。80年代末，黄志镗和吴瑶曼等人抓住国际学界动态，在国内率先开始杯芳烃的研究，进入超分子化学领域。他对“杯芳烃”这一术语的中文译名也很快得到了化学界的认同和接受，而他做出的成果使他被公认为中国该领域的先驱人物之一。
　　黄志镗院士的科学研究生涯，与新中国的科学事业几乎同步开始和成长，经历了几十年的风雨起伏。如果总结特点，大概是他能把研究兴趣和国家的需要自觉地结合起来，从而避免了多次政治运动的冲击，始终坚持在科研第一线。大学期间他爱好有机化学，但工作后被分配到高分子组，研制尼龙，不久又转向军工需要的有机硅。刚刚在有机硅方面做出一些成果，即被抽调从事“两弹一星”所需要的聚合物材料研制。也许在他看来，自己能有条件从事化学研究是幸运的。