С 1945 по 1947 год Тьюринг проживал в Ричмонде и работал над ACE (англ. Automatic Computing Engine) в Национальной физической лаборатории. 19 февраля 1946 года он представил работу, которую можно назвать первым детальным описанием компьютера с хранимой в памяти программой.
Несмотря на то, что постройка ACE была вполне осуществима, секретность, окружавшая Блэтчли-парк, привела к задержкам в начале работ, что разочаровало Тьюринга.
Во время работы в Национальной физической лаборатории Алан Тьюринг активно занимался бегом и выступал на соревнованиях за Легкоатлетический клуб Волтона. Тьюринг вступил в него в конце 1945 года и показывал результаты мирового уровня. Его лучшее время марафона составило 2 часа 46 минут и 3 секунды, что всего на 11 минут больше, чем у победителя олимпийских игр 1948 года, ранее в этом же году в забеге на пересечённой местности Алан финишировал раньше Тома Ричардса — серебряного призёра олимпиады.
В 1948 году Алан Тьюринг получил звание Reader в математическом департаменте Манчестерского университета. Там в 1949 году он стал директором компьютерной лаборатории, где была сосредоточена работа по программированию Манчестерского Марка I. В то же время Тьюринг продолжал работать над более абстрактными математическими задачами, а в своей работе «Computing Machinery and Intelligence» (журнал «Mind», октябрь 1950) он обратился к проблеме искусственного интеллекта и предложил эксперимент, ставший впоследствии известным как тест Тьюринга. Его идея заключалась в том, что можно считать, что компьютер «мыслит», если человек, взаимодействующий с ним, не сможет в процессе общения отличить компьютер от другого человека. В этой работе Тьюринг предположил, что вместо того, чтобы пытаться создать программу, симулирующую разум взрослого человека, намного проще было бы начать с разума ребёнка, а затем обучать его. CAPTCHA, основанный на обратном тесте Тьюринга, широко распространён в интернете.
В 1948 году Алан совместно со своим бывшим коллегой Дэвидом Чамперновном начал писать шахматную программу для компьютера, который ещё не существовал. В 1952 году, не имея подходящего устройства для её выполнения, Тьюринг сыграл игру, в которой симулировал действия машины, делая по одному ходу раз в полчаса. Игра была записана и в результате программа проиграла коллеге Тьюринга Алеку Глини, но выиграла партию у жены Чамперновна.
В 1948 году Тьюринг также изобрёл метод LU-разложение, который сегодня используется для решения уравнений.