Самсон Кутеладзе — основатель одной из ведущих научных школ по теплофизике и гидродинамике. Член редколлегии ряда советских и международных научных журналов. Всего С.С. Кутателадзе было написано 20 монографий и почти 300 статей; более 60 его учеников стали кандидатами, более 30 — докторами наук.
В 1932 году поступает на работу в Центральный котлотурбинный институт им. И. И. Ползунова в Ленинграде. В 1938 году пишет монографию «Основы теории теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества», впервые осветив данную тему.
С января 1941 по август 1945 участвует в Великой Отечественной войне, в 1943 году вступает в ВКП(б).
Предложил гидродинамическую теорию кризисов кипения, известную также как теория прогара (Kutateladze's burnout theory).
В 1950 году защищает кандидатскую, а в 1952 году — докторскую диссертации. Темы работ — анализ гидродинамической устойчивости существования различных режимов течения газожидкостных смесей. В 1958 году совместно с М. А. Стыриковичем пишет монографию «Гидродинамика газожидкостных смесей», ставшую первой в мире книгой, обобщившей теоретические и экспериментальные исследования по данной теме.
В 1959 году переходит на работу в Сибирское отделение АН СССР. Один из создателей Института теплофизики, впоследствии названного в его честь. С 1964 года — директор института вплоть до своей кончины.
Преподавал в Военно-морской академии им. А.Н. Крылова. С 1962 года — профессор, а затем заведующий кафедрой теплофизики Новосибирского государственного университета.
В Сибири совместно с А. И. Леонтьевым (впоследствии академиком РАН) разработал теорию относительных предельных законов турбулентного пограничного слоя сжимаемого газа.
Под руководством Кутателадзе была построена первая в мире геотермальная установка на фреоне в п. Паратунка на Камчатке.
Совместно с В. Е. Накоряковым (впоследствии академиком РАН) исследовал тепломассообмен и волны в газожидкостных системах.