1927年6月，嚴濟慈獲得了法國國家科學博士的學位，隨後，他在法國科學會議上宣讀自己的博士論文，從此，嚴濟慈在學術界小有名氣。同年7月，在回國的路上，嚴濟慈同國民黨元老級人物、中國著名生物學家李石曾、著名美術畫家徐悲鴻相遇，三人一見如故，成為至交，徐悲鴻還特地為嚴濟慈畫了一幅素描圖像。
第二次出國
1927年8月，嚴濟慈從法國回到上海，他成為中國眾多名校聘請的對象。嚴濟慈去了上海大同大學和南京大學等四所學校，他在校內教授物理、數學。同年11月11日，嚴濟慈與張宗英女士的愛情終於有了結果，兩人在南京結婚。次年夏天，蘇州召開中國科學年會，嚴濟慈被推選為理事。這時候的嚴濟慈年紀還不到三十歲，他從鄉村出來的少年成為享名京滬杭地區的年輕教授。
麵對這些榮譽，嚴濟慈並未顯得沾沾自喜，他將自己的心思和誌向仍然放在科學研究上。為了能夠專心的進行科學研究，1928年秋，嚴濟慈毅然辭去了教學工作，偕妻子前往法國進行短期的科學研究。
當時的民國政府對教育工作組十分的重視，所以教師和文人的待遇也很高。一個普通家庭年開支不過50塊銀元，而嚴濟慈在四所大學任教，每個月可得的薪金竟高達880塊銀元！麵對這樣的高薪，嚴濟慈仍然棄之如履。出國前夕，他和妻子已經有了一個孩子，嚴濟慈將剛剛出生的孩子托給嶽父、嶽母照料，然後和妻子張宗英利用剛剛獲得的中華教育文化基金會第一屆第一名甲種研究補助金前往法國。
嚴濟慈辭掉高薪教學工作，他的舉動讓很多學子不明白，尤其是那些愛戴嚴濟慈的學生們，他們更加舍不得嚴濟慈離開。為此，學生們給嚴濟慈舉辦餞行宴，嚴濟慈在宴會上說出自己前往法國的原因：“我此次再赴巴黎，為的是更加的充實自己，為的是要在回國以後，讓科技在中國的大地上紮根發芽，讓我們的後代不要再到其他國家去留學，要讓他們想方設法地到中國來留學！”學生們被嚴濟慈的一番話深深地感動了，他們帶著希冀的目光，送嚴濟慈離開中國。
來到法國後，嚴濟慈在法國巴黎大學光學研究所和法國科學院電磁實驗室從事了兩年的緊張工作，期間發表了7篇影響力頗深的科研論文。這次赴法期間，嚴濟慈與居裏夫人結下了深刻的友誼。
當時居裏夫人的實驗室要安裝調試一架新購置的顯微鏡，學者們無從下手，嚴濟慈利用自己的智慧，憑著探索，他將新購置的顯微鏡給安裝調試出來，並用這台顯微鏡發表了相關論文，居裏夫人大為賞識。1930年，嚴濟慈準備回國，居裏夫人表示，她將支持嚴濟慈在中國展開放射學的研究。嚴濟慈回國後，他在北平大學物理研究所任所長。1931年3月，為了籌建中國放射實驗室和研究鐳學，他寫信向居裏夫人求教，居裏夫人在同年7月給嚴濟慈回信，給予了嚴濟慈熱心的指導。1932年，嚴濟慈兼任鐳學研究所所長，並且得到了居裏夫人弟子的幫忙。
從1927年到1938年，這十二年是嚴濟慈科學研究最為活躍的時期，他在壓電晶體學、光譜學、大氣物理學等方麵研究突出，做出了重大的成果，發表了53篇科研論文，其中11篇是在法國工作期間完成的。這些研究成果，加速了中國科學技術的發展，帶動了人類進步的步伐。
用教育來愛國
1937年，嚴濟慈出席了巴黎國際文化合作會議，當他聽到日本挑起“盧溝橋事變”，發起全麵侵華戰爭後，嚴濟慈大為憤慨，他在大會上公然譴責日本侵略中國的罪行。隨後，在國民黨元老李石曾的推薦下，他和中共領導人吳玉章、法國物理學家郎之萬教授聯絡，積極開展抗日救國運動的宣傳工作，嚴濟慈多次發表抗戰演說，所以被日本侵略軍記恨，導致全家被日本特務監視。
在此情況下，嚴濟慈自然不好再回到北平，於是轉道香港，去了中國抗戰根據地——雲南昆明。嚴濟慈也將北平的物理研究所中的主要人員和主要設備一起遷去。在中華民族八年抗戰中，嚴濟慈率領物理研究所的全體員工全力研製軍需用品，從事和國民生計相關的物理研究工作。這段日子生活的十分艱苦，科研設備極為簡陋，嚴濟慈親自動手，他帶領研究所全體員工認真負責的裝配檢驗，先後製造出1000多具無線電發報機，300多套望遠鏡和五角測距鏡，還研製出500台1500倍顯微鏡，200架水平儀，供給解放軍和醫療人員使用。在抗戰期間，嚴濟慈還培訓了一大批年輕的光學工人。1946年，抗戰勝利後，嚴濟慈被國民政府授予三等勳章。