30 липня 1918 p. M. Василенка було призначено заступником голови Ради Міністрів Української Держави, а 9 серпня 1918 р. – президентом Державного Сенату – вищого судового органу України, що був створений замість колишнього Генерального Суду.
Невдовзі перед тим, як було розв'язано питання про заснування Української академії наук (14 листопада 1918 р. було ухвалено відповідний закон, а 27 листопада відбулися установчі збори), М. Василенко вийшов зі складу гетьманського уряду, залишаючись президентом Державного Сенату. З політичного боку це рішення було зумовлено тим, що в цей час П. Скоропадський прагнув досягти угоди з керівництвом українських соціалістичних партій, обіцяючи включити їх представників до складу уряду, який в результаті мав стати більш «українсько-національним». Це викликало рішучий протест у групи міністрів-кадетів, лідером якої був М. Василенко.
В добу Директорії М. Василенко вже не брав активної участі у політичному житті, хоча його прізвище і було названо у складі відновленого Генерального Суду. Він більше зосередився на науково-викладацькій діяльності. У лютому 1919 р. був обраний президентом Київського університету, також читав курси лекцій у кількох інших вузах.
26 липня 1920 p. М. Василенка обрали академіком Української академії наук. 18 липня 1921 р. спільним зібранням УАН його було обрано президентом Академії наук. Тоді ж Українська академія наук була перейменована на Всеукраїнську академію наук (ВУАН).
27 лютого 1922 p. M. Василенко на вимогу більшовицького уряду склав повноваження президента, а сам заглибився в суто наукову працю.
У вересні 1923 р. академіка було заарештовано за участь у контрреволюційній організації «Київський обласний центр дій» і засуджено до 10 років ув'язнення, але завдяки неодноразовим клопотанням академічної громадськості, зарубіжних вчених і політиків 24 листопада 1924 p. M. Василенка помилувано й звільнено з-під арешту.
Протягом всієї наукової діяльності М. Василенко входив до складу багатьох наукових товариств, комісій та комітетів. 1891 р. вступив до Історичного товариства Нестора-Літописця, членом якого, а певний час і головою, був протягом майже сорока років. Був одним із членів-фундаторів Українського наукового товариства (УНТ), заснованого 1906 p.; 1910 р. став головою історичної секції УНТ. 1911 р. обраний дійсним членом Наукового товариства ім. Т. Шевченка (НТІП) у Львові; входив до складу історико-філософської секції цього товариства і його Археографічної комісії. Як адвокат був членом Київського юридичного товариства при Київському університеті. Протягом 1922—1926 pp. очолював Товариство правників при ВУАН. З 1925 до 1933 року плідно працював на посадах голови соціально-економічного відділу ВУАН та голови Комісії по вивченню історії західноруського та українського права, в інших академічних комісіях та комітетах. З 1934 р. припинив активну наукову працю.
Визначний вчений залишив по собі велику наукову спадщину, зокрема фундаментальні дослідження української історії, історіографії, суспільного устрою та права, про політичні погляди українських діячів, мислителів. Покажчик лише основних друкованих праць складає близько 300 творів. Помер М. Василенко 3 жовтня 1935 р. в Києві.
Праці М. П. Василенка
Генеральное следствие о маетностях Киевского полка: 1729—1730 / Под ред. Н. П. Василенко. – К., 1892.
Генеральное следствие о маетностях Киевского полка: 1729—1730 / Под ред. и с предисл. Н. П. Василенко // Чтения в Ист. о-ве Нестора-Летописца. – 1893. – Кн. 7. – Отд. 3.
Материалы для истории экономического, юридического и общественного быта старой Малороссии / Под ред. Н. П. Василенко. Вып. 1: Генеральное следствие о маетностях Нежинского полка, 1729—1730. – Чернигов, 1901. – IX.
Материалы для истории экономического, юридического и общественного быта старой Малороссии (Под ред. Н. П. Василенко). Вып. 2: Экстракт из указов, инструкций и учреждений. – Чернигов, 1902.
М. С. Грушевский как историк // Украинская жизнь. – М., 1916. —Кн. 12.
Очерки по истории Западной Руси и Украины. – Киев, 1916.
До Ради Міністрів Української Держави від міністра народної освіти та мистецтв пояснююча записка по законопроекту про заснування Української академії наук у Києві. – К., 1918.
Промова п. міністра народної освіти і мистецтв Н. П. Василенка при відкритті діяльності комісії, 9-го липня 1918 р.// Збірник праць Комісії для вироблення законопроекту про заснування Української академії наук у Києві. – К., 1919.