周培源回國前夕，中國正陷於內戰，國民黨的統治腐朽透頂，讓百姓們傷透了心，人們時刻都希望共產黨取代國民黨。周培源的外國朋友得知好友有回國的心思，他們都勸周培源不要回去。但周培源私下裏了解過中國共產黨，對中國共產黨的政策、黨綱很支持，對共產黨的清廉和抗戰中的聲譽也有所了解。因此，周培源下定決心，還是要回到祖國的懷抱，要將自己學到的科學知識投入到國家的建設和發展中。
為人民服務
1947年4月，周培源回到了北平（北京）清華大學，他在戰火中繼續任教。新中國建立後，周培源曾先後曆任清華大學教務長、校務委員會副主任、北京大學教務長、副校長和校長、世界科協副主席、歐美同學會名譽會長，此外還是第一、二、三、四屆人大代表，第五屆人大常委，第三、四屆政協常委，第五、六、七屆政協副主席。九三學社第七、八屆中央委員會主席。
周培源作為教育家、物理理論學家、社會活動家的同時，他還不忘祖國的工程發展。50年代，國家考慮到建設長江三峽水利樞紐工程，周培源對此極為重視，他曾經兩次到武漢參加關於三峽大壩工程的會議，並在大會後和員工們一同到三鬥坪考察大壩的選址。
1987年後，周培源對三峽工程的進展仍然十分關心。那時候，周培源年事已高，身體多病，但他還是多次去三峽工程現場考察。周培源談到三峽工程的時候，臉上溢滿了對國家、對民族的責任感。他一再強調，三峽工程是中國千百年來的大計，一定要慎之又慎，千萬不得鬆懈。
1988年春節，大家去周培源家中給他拜年，八旬高齡的老人仍然不忘三峽大壩工程的建設，他提出了很多意見和看法。很多人都被這位老人關心國計民生的精神所感動。在不忘國家社會主義建設的同時，周培源對於國民教育問題也十分關注。
1989年，周培源和妻子王蒂澄將他們珍藏的很多古代書畫，無條件的捐獻給了無錫市博物館，無錫市政府為此獎勵了他們夫婦一大筆獎金，但周培源卻將這筆獎金大部分捐贈給了他們所在的工作單位——北京大學和清華大學附屬小學，作為科學基金和獎學金。
次年，他們又將這筆獎金中的1萬元捐贈給了中國振華基金會，以資助社會科技、教育發展行業。他們夫婦對此解釋為：“這些字畫文物和獎金，是來自於人民手中，也應該回到人民手中。”除了捐款捐物外，周培源從事教育長達六十餘年，在這一個甲子的時間中，他為中國培養了幾代物理學家，包括著名科學家王竹溪、彭桓武、林家翹、胡甯等在內，都是周培源老先生的早期學生。
他治學態度嚴謹，教學要求較高。當時的理論力學比較枯燥，而且入門難度高，同學們私下議論：“什麼是理論力學？就是努力要聽懂，做題又不會的學科。”周培源是過來人，自然知道學生們的心思，他要求他的學生上課要認真聽講，對任何學生犯錯都不姑息。
有一次，在上課期間，發現兩個學生在自己的課上交頭接耳，不認真聽課，盡管那兩個學生是出類拔萃的尖子生，但周培源也沒有因此“縱容”他們兩個。在下課後，所有的同學都離開了，他單獨將兩個說話的學生留下，並狠狠地教訓了一通。這件事情在校園中傳出去後，課堂紀律為之肅然。周培源對課外抓的也比較嚴格，他讓同學們多看書多做題，而且要自己做，並且幽默地比喻說道：“題目要自己做，自己做的題目才是自己俘獲的獵物，不要像清朝皇帝南苑狩獵一樣，先在院內養好了鹿，再讓太監們將鹿驅趕到自己麵前，自己來射。”
在長期的教育和科學研究之中，周培源形成了自己獨特的教書育人的風格和辦學思想、辦學理念。他在教學中，十分重視理論基礎，同時關懷和支持新技術的研究發展，推動和組織領導我國學術界和國外的交流。他的學識、見解、為人處世的獨特人格魅力，被廣大學生所愛戴，被人們稱為“桃李滿園的一代宗師。”