1925–1928 — кандидат в аспіранти, 1928–1930 — аспірант Науково-дослідної кафедри історії України при ВУАН, 1925–1930 — співробітник Культурно-історичної комісії при ВУАН.
1926 організував етнографічну секцію краєзнавчого гуртка Інституту народної освіти у Києві й до 1930 керував нею. 1927–1930 брав участь в етнографічних експедиціях на території сучасної Миколаївської області та Дніпрельстану (Дніпровської ГЕС). Одна з його цікавих ідей – проаналізувати історичні пісні, у яких, на думку Тодора Матвійовича, відбилися всі основні віхи історії Запоріжжя 40-х – 90-х років XVIII століття.
1930–1933 — науковий співробітник кафедри передісторії України Дмитра Яворницького при ВУАН. 1934–1936 — науковий співробітник Інституту історії матеріальної культури ВУАН. На початку 1936 р. Т. М. Гавриленка з інституту було звільнено через «невиконання виробничого плану 1935 р. і протаскування у друкованій продукції антимарксистських концепцій».
Деякий час працював в Архіві давніх актів, але у січні 1937 р. був звільнений «за контрреволюційні, націоналістичні вияви, що мали місце в його наукових працях».
12 червня 1937 р. він був заарештований і засуджений до 5 років концтаборів. Причиною арешту Тодора Гавриленка було те, що в його бібліотеці виявили твори Михайла Грушевського. Звинувачували його також у тому, що він організував у студентські роки гурток культури українського слова. Покарання відбував у м. Маріїнськ (нині місто Кемеровської області, Російської Федерації), потім у Магаданській області (нині Російська Федерація).
Помер під час ув'язнення (за офіційною версією, від паралічу серця). Реабілітований 1963.
Юркова О. Історики «київської школи» М. С. Грушевського — дослідники Запорожжя. В кн.: Запорозьке козацтво в українській історії, культурі та національній самосвідомості: Матеріали міжнародної наукової конференції. К.-Запоріжжя, 1997.
