После окончания института работал на Саратовской сельскохозяйственной опытной станции. Общение с такими выдающимися селекционерами, как Н. Г. Мейстер, А. П. Шехурдин, П. Н. Константинов, определило дальнейшее направление работ молодого учёного. С самого начала его заинтересовала проблема создания более продуктивных сортов главной продовольственной культуры — пшеницы — на основе отдалённой гибридизации культурных растений с дикорастущими видами. Работая агрономом одного из отделений зерносовхоза «Гигант» Сальского района Ростовской области, Цицин скрестил пшеницу с пыреем и впервые получил пшенично-пырейный гибрид, что стало началом его работы в этом направлении. Широко вовлекал в скрещивание дикорастущие и культурные растения, прошедшие самостоятельные эволюционные пути, определившие их генетическую обособленность. Исследования, проводимые учёным в этом направлении, позволили создавать новые сорта растений, такие как многолетняя и зерно-кормовая пшеницы, межродовые пшенично-пырейные, пшенично-элимусные и ржано-пырейные гибриды. Эти разработки явились существенным вкладом в практику селекции и растениеводства нашей страны и имели большое значение для развития генетики в СССР[4].
Основные труды посвящены отдалённой гибридизации растений. От скрещивания пшеницы с пыреем получил новый вид пшеницы (Triticum agropynotriticum). Автор сортов пшенично-пырейных гибридов. Председатель правления Совета ботанических садов АН СССР. Почётный член ряда академий социалистических стран (Академия наук Румынии, 1945 год[6]. Президент (1958—1970) и вице-президент (с 1970) Советско-индийского общества дружбы и культурных связей, член Советского комитета защиты мира[4].
Первого звания Героя Социалистического Труда удостоен 17 декабря 1968 года с формулировкой «за выдающиеся заслуги в развитии биологической и сельскохозяйственной наук и в связи с 70-летием со дня рождения»[4].
В 1973 году выступил в газете «Правда» с осуждением деятельности академика А. Д. Сахарова[7].
В 1975 году выведенный под руководством Н. В. Цицина тетраплоидный сорт озимой ржи "Старт" дал урожай 45,1 центнера с гектара (превысив по урожайности диплоидный сорт "Харьковская-60")[8]
Что даёт скрещивание пшеницы с пыреем. — М., 1937;
Исследования в области вегетативно-половой гибридизации травянистых растений с древесными // Труды Зонального института сельского хозяйства нечернозёмной полосы СССР. — М., 1946;
Пути создания новых культурных растений. — М., 1948;
Отдалённая гибридизация растений. — М.: Сельхозгиз, 1954. — 432 с.
Роль науки и передовой практики в подъёме сельского хозяйства. — М., 1954;
Ботанические сады СССР / АН СССР. Совет ботан. садов СССР. Науч. совет по проблеме «Интродукция и акклиматизация растений». — М.: Наука, 1974. — 192 с. — 4350 экз.[1]
Роль отдалённой гибридизации в эволюции растений. — М.: Наука, 1975;
Многолетняя пшеница / АН СССР. Секция хим.-технол. и биол. наук, Гл. ботан. сад. — М.: Наука, 1978. — 288 с.
Теория и практика отдалённой гибридизации / АН СССР. Гл. ботан. сад. — М.: Наука, 1981. — 159 с.
Орден Ленина (9 сентября 1945) — за успешное выполнение задания Правительства в трудных условиях войны по обеспечению фронта и населения страны продовольствием, а также промышленности сельскохозяйственным сырьем
Сталинская премия II степени (22 марта 1943) — за выведение методом отдаленной гибридизации ряда ценных, высокоурожайных однолетних яровых и озимых пшенично-пырейных гибридов