然而，趙忠堯不知道，美國和敗退到台灣的國民黨們，千方百計地阻止他回到大陸去。年底，趙忠堯開始為回國做準備，他清楚，中國長時間的處在戰亂之中，科研底子十分地薄弱，因此想要將自己花了幾年心血定製到的加速器部件和物理實驗器材也帶回中國去，這樣便於新中國發展。
1948年，趙忠堯開始考慮回國問題時，他將器材放到一個國民黨官僚資本主義組建的一個輪船公司。然而，他的這些舉動，被聯邦調查局的特務盯上了，於是強行到運輸公司開箱搜查，還派人到加州理工學院監視趙忠堯的一舉一動。雖然調查出這批器材不是厲害的武器，但聯邦調查局仍然扣去了趙忠堯部分器材，特別是他們扣下了四套完整的器材和物理實驗用的電子學線路。這讓趙忠堯十分的心痛和氣憤，因為那些器材是國內急缺的。
1950年8月29日，趙忠堯同錢學森夫婦準備一起乘坐美國的“威爾遜總統號”輪船回中國，當時，聯邦調查局特工突然上船搜查，錢學森攜帶的800多公斤重的書籍和筆記本被強行扣留，並送到特米那島上關押了起來，趙忠堯沒有被迫害。
就在趙忠堯快要回到祖國時，美國情報局忽然得到消息，他們認為趙忠堯身上掌握著一項機密！因此，美國最高司令部連發三道攔截令。當趙忠堯乘坐的輪船途經日本橫濱時，美國武裝人員氣勢洶洶地衝上輪船，將趙忠堯關押到美國在日本設立的監獄內。之後不論趙忠堯等人如何抗議，美國方麵均不予理睬。台灣當局駐日“使館”得知趙忠堯被扣押的事情後，派了三個代表，軟磨硬泡，要趙忠堯放棄回大陸的想法，跟他們到台灣去。有一次，美國憲兵拉開槍栓威脅他，如不願去台灣就當場槍斃，但趙忠堯始終不為所動。
美國人為了能繼續扣押趙忠堯，他們找一個合理的借口，四處造謠，稱趙忠堯竊取了美國原子彈的機密。為了找到“罪證”，他們仔細檢查了趙忠堯的每一件行李、每一頁紙上的字，甚至連趙忠堯寫給父親的信件都翻看了，卻沒有找到任何想要的東西。
趙忠堯被美國扣押之後，新中國政府掀起了一場譴責美國人的熱潮。中華人民共和國總理兼外交部長周恩來，發表了譴責美國政府暴行的聲明。錢三強聯合了國內一批著名科學家，發起了聲援趙忠堯的活動。錢三強還請出他在歐洲留學時的恩師、世界保衛和平委員會主席約裏奧·居裏出麵，呼籲全世界愛好和平的正義之士，譴責美國政府的行徑。在譴責的浪潮下，美國政府隻得將趙忠堯等人放行。
為國效力
1950年11月底，趙忠堯終於途徑香港，回到了闊別多年的祖國。在他回國之前，為了發展新中國的科學事業，在新中國政府的資助下，成立了中國科學院物理研究所，由錢三強出任所長，王淦昌、彭桓武為副所長。一大批留學歐美、有真才實學的科學家，都在物理所工作。
趙忠堯回國以後，將他帶回來的器材和零件全部交給了物理所，並利用自己帶回來的器材，支持研製出我國第一台70萬電子伏的質子靜電加速器。1958年，趙忠堯主持研製出了250萬電子伏的質子靜電加速器。這兩項研究成果，對我國核武器事業的發展，做出了舉足輕重的貢獻。
到了70年代，國際形勢開始出現大逆轉，各國都在研究核武器，中國也沒有落後，為了加強國防建設，在1993年的時候，趙忠堯擔任高能物理研究所的副所長，管理物理實驗部門的工作，雖然趙忠堯年事已高，但是他仍然積極地為國家做貢獻，為國家培養一批青年才俊。在趙忠堯的帶領下，一批批新的研究成果陸續問世，這裏麵包括了眾人的心血。
到了新的曆史時期，趙忠堯已經步入晚年，但是因為他德高望重，所以繼續出任中國物理學會和中國核學會的名譽理事長，為了表彰他的功績，還為他頒發了許多獎項。趙忠堯將得來的獎金全部投入到自己建立的“趙忠堯獎基金”會中，用來獎勵清華大學、中國科技大學、北京大學等物理係的優秀學生。
1998年5月28日，趙忠堯走到了自己生命的末端，他以96歲的高齡離開了人世。趙忠堯給人們留下了正直忠厚的形象，但是他卻鮮為人知。不過，他所付出的這些，曆史會給他譜寫出一段輝煌，讓中國人知道，曾經有一位傑出的物理學家，他一生在為我國的物理學嘔心瀝血，奉獻著他那已經逝去的青春。