1948年，35歲的錢三強帶著導師給的放射源，回到了闊別11年的祖國。臨行前，有人問他，為什么放棄國外優渥的條件，回到一窮二白的
中國？

錢三強回答：“雖然科學沒有國界，科學家卻是有祖國的。”

目睹1949年后脫胎換骨的中國，錢三強無比激動，他渴望為中國強大起來付出自己的一切。1955年8月，他加入中國共產黨。

錢三強為新中國科技事業的發展做出了重大奠基性貢獻。他主張以蘇聯、法國科學院為雛形，設立中國自己的“國家科學院”。他參與起草的《建立人民科學院草案》，勾畫了中國科學院的基本框架。竺可楨評價錢三強：錢實為科學院最初組織時之靈魂也。

回國后，錢三強便全身心投入原子能科學事業的開創之中。他領導建成我國第一個重水反應堆、第一臺回旋加速器。51歲生日之際，他見證了自己參與研制的我國第一顆原子彈爆炸成功，全世界從此記住了他的
名字。

早在1960年6月，錢三強就提出，氫彈要以原子彈做引爆器，但氫彈與原子彈的原理和規律不同，與輕核聚變反應有關的理論問題需要有人先做探索，宜早不宜遲。事實證明，對氫彈原理的探索，在氫彈研究的早期不可或缺，錢三強的決定非常有遠見。

錢三強的科學預見性和預謀的思想不只體現在氫彈研制上。1960年，隨著蘇聯專家的撤離和蘇聯援建項目的停建，我國的原子彈研制工作遇到了極大的困難。處在特殊位置上的錢三強預設題目，調動精兵強將，主持了鈾同位素分離、點火中子源、钚的提取和氚的生產工藝、燃耗測定等一系列關鍵技術的攻關。有人后來回憶說：“所幸的是，這些我們早就有準備了，是錢三強出的題目，出題目很重要。”

1962年，錢三強在一次談話中說：“現代的科學研究都是規模很大的，搞原子彈、氫彈不只是少數人奉獻，主要是黨的領導，大力協同，這是集體創造……任何時候，科學研究都要大力協作，既要注意發揮個人才能，也要注意發揮集體的智慧，努力創新……”錢三強一直倡導大力協同，并身體力行。

原子彈、氫彈爆炸成功后，西方媒體在震驚之余，往往想當然地去猜測誰是中國的“原子彈之父”“氫彈之父”。對于外國媒體的傳言和猜測，錢三強多次嚴肅指出：“中國原子彈研制不是哪幾個人的功勞，更不是我錢三強一個人的功勞，而是集體智慧的結晶。”

錢三強曾說，作為一個老科技工作者，能把自己化作卵石、化作沙粒，鋪墊在千軍萬馬奪取勝利的征途上，他感到高興、欣慰。