Im Jahre 1959 trat Günter Dietrich die Nachfolge von Georg Wüst als Professor an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und als Direktor des Instituts für Meereskunde an. Georg Wüst hatte das Kieler Institut ab 1946 wieder aufgebaut, Günter Dietrich verstärkte die Ausrichtung der Arbeiten auf den offenen Ozean und die Tiefsee. Das entsprach der Tradition des früheren Berliner Instituts und führte die deutschen Meeresforscher zurück in die internationale Gemeinschaft der Meeresforschung. Die Mitarbeit beim „Polar Front Survey“ im Internationalen Geophysikalischen Jahr 1958/59 war ein wesentlicher Beitrag im internationalen Verbund. Der wichtigste Schritt war dann, das Hochsee-Forschungsschiff „Meteor“ zu bauen und unmittelbar nach der Indienststellung 1964/65 an der „International Indian Ocean Expedition“ teilzunehmen. Der Beitrag von Günter Dietrich zur Entstehung der neuen „Meteor“ kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Er leistete wesentliche Überzeugungsarbeit bei den Geldgebern und er war an der Konzeption und der Einsatzplanung entscheidend beteiligt. Die Zusammenarbeit mit dem Deutschen Hydrographischen Institut (DHI, heute Bundesanstalt für Seeschiffahrt und Hydrographie) in Hamburg war eng; die neue „Meteor“ wurde über lange Zeit vom DHI bereedert.

Das Kieler Institut für Meereskunde entwickelte sich unter Dietrichs Leitung schnell zum damals größten multidisziplinären Lehr- und Forschungsinstitut der marinen Grundlagenforschung in Deutschland. Aus 15 Institutsangehörigen wurden bis 1968, als er die Leitung weitergab, 124 Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen. Zusätzliche Abteilungen für Meteorologie, Theoretische Ozeanographie, Planktologie, Meeresphysik und Meereschemie wurden nach und nach eingerichtet. Die Studiengänge in den meereskundlichen Fächern wurden erweitert. Eine ganze Generation von deutschen Meeresforscherinnen und Meeresforschern wurde überwiegend durch eine Ausbildung an der Kieler Universität geprägt. Zum Abschluss seiner Amtszeit als Direktor sorgte Dietrich für die Aufnahme des Instituts in die sogenannte „Blaue Liste“, aus der später die Leibniz Gemeinschaft hervorging. Damit wurde eine Kollegialsatzung eingeführt und eine Bund-Länder-Finanzierung sichergestellt.