В 1934 році С. А. Томилін переїхав до Києва, де його праця також була пов’язана з практичною та науковою діяльністю у сфері соціальної гігієни та санітарної статистики. Так, в 1934–1936 роках він очолював сектор захворюваності і був дійсним членом Всеукраїнського інституту соціалістичної охорони здоров’я; в 1934–1938 роках – старшим науковим співробітником Інституту демографії та санітарної статистики АН УРСР; в 1938–1940 роках – завідувачем відділом вивчення захворюваності Українського науково-дослідного бюро санітарної статистики та одночасно (1935–1945) завідувачем відділом статистики Українського НДІ туберкульозу і статистичним відділом Українського інституту епідеміології та мікробіології (1936–1941). В 1944 році С. А. Томілін був призначений членом Центральної науково-методичної санітарно-статистичної комісії Наркомату охорони здоров’я СРСР. З 1945 по 1952 рік завідував статистичним відділом Українського інституту епідеміології та мікробіології.