A son retour, il fonda avec Duras, les éphémères éditions de la Cité Universelle (1945). Bien que divorcé, le couple continua à travailler ensemble.
Auteur de peu d’ouvrages, la plus importante de ses publications reste L'Espèce humaine (1947), dédiée à sa sœur Marie-Louise, morte en déportation. Au-delà d'un témoignage, ce récit sur les camps de concentration constitue une réflexion sur la nature profonde de l'humanité. Malgré le respect unanime qui entoure le souvenir de l'écrivain, la postérité dont il peut encore bénéficier est principalement due à cette œuvre de référence.
Il reprit ses activités politiques, fut exclu ou démissionnaire du Parti communiste français selon les sources et, à partir de 1955, il participa à l’animation du Comité d’action des intellectuels contre la poursuite de la guerre d’Algérie à la fondation duquel il avait pris part. Opposé à la prise de pouvoir de De Gaulle, en 1960, il fut l’un des premiers signataires de la « Déclaration sur le droit à l’insoumission dans la guerre d’Algérie », dite Manifeste des 121. Fidèle à son engagement anticolonialiste, il prit plusieurs positions publiques contre la guerre du Vietnam.
Victime d’une attaque cérébrale au cours d’une opération chirurgicale (1983), il mourut sept ans plus tard. Il n’y avait presque personne à la petite cérémonie qui se tint en la cathédrale Saint-Louis-des- Invalides. Robert Antelme fut inhumé au cimetière du Montparnasse dans la sépulture familiale de sa seconde épouse, Monique Régnier.