1949年，從大洋彼岸傳來了祖國解放的消息，中華人民共和國宣告成立。華羅庚抑製不住內心的激動，他立即決定返回祖國！他開始在暗中積極準備，寒假一到，他便以到英國講學為名給全家人弄到船票，然後舍棄了洋房、汽車和半年的薪水，帶領妻兒四人在舊金山登上一艘郵船，踏上了歸國的路程。
船到香港，他給留美的中國學生寫了一封公開信：“……朋友們，我們應當認清：我們既然得到了優越的權利，我們應當盡我們應盡的義務，尤其是聰明能幹的朋友們，我們應當負擔起中華人民共和國空前巨大的人民的任務！總之，為了抉擇真理，我們應當回去；為了國家民族，我們應當回去；為了為人民服務，我們也應當回去；就是為了個人出路，也應當早日回去，建立我們工作的基礎，為我們偉大祖國的建設和發展而奮鬥！”1950年3月，新華社向全世界播發了這封公開信。這封信，字裏行間充滿對新中國的無限深情和希望，它使許多處在猶豫彷徨中的海外遊子，紛紛衝破各種阻撓，返回祖國參加社會主義建設。
1950年3月16日，華羅庚到達北京，回到清華大學擔任教授。
回國後30多年來，華羅庚先後擔任過中國科學院數學研究所、應用數學研究所所長、中國科學技術大學副校長、中國科學院副院長等職務。他為中國的數學科學研究事業作出了重大的貢獻。他在典型域方麵的研究中所引入的度量，被稱為“華羅庚度量”。
回國後不久，中國科學院告知華羅庚，他的《堆壘素數論》即將出版，華羅庚非常高興，感慨萬千。
1952年10月，亞洲和太平洋地區和平會議在北京召開，華羅庚以中國和平理事會和中蘇友好協會領導成員的身份出席會議。不久，他又代表中國到斯德哥爾摩和東柏林參加世界和平理事會。1955年春，又隨郭沫若率領的代表團赴印度新德裏，參加“在科學、技術和工程問題上協調的會議”。1957年1月，他以《多複變函數典型域上的調和分析》的論文獲中國科學院自然科學一等獎。頻繁的社會活動，沒有使華羅庚放鬆對數學的鑽研，他抓緊一切時間，將以往的研究成果進行綜合整理，發表了《多複變函數論典型域上的調和分析》一文。1957年，此文榮獲國家一等發明獎。同年，他的《數論導引》出版，此書在國際上反響很大。一位美國著名數論家在《數學評論》上稱華羅庚的這部書是“一本有價值、重要的教科書，有點像哈代與拉伊特的《數論導引》，但在範圍上已越過了它。”
華羅庚的工作非常繁忙，他從不放過一點空隙時間來思考問題，在上班的途中或是講課、開會之前的十幾分鍾裏，也不例外。因此，他的研究碩果累累，據不完全統計，數十年裏華羅庚共寫了152篇數學論文，9部專著，11本科普著作。
成名後的華羅庚可以說是一個大人物了。不過，他從沒有擺過大人物的架子，無論是對學生還是對同事。一次上課，他的學生王元發現他在黑板上寫的行列式錯了，就在課堂上當眾指了出來。華羅庚仔細檢驗了他的算式，然後當場宣布：“我錯了，應該按照王元的意見改正這個行列式。”至於著名數學家陳景潤的被發現更是一段動人的佳話。陳景潤在攻讀華羅庚的《堆壘素數論》時，發現華羅庚關於“他利問題”的研究尚有可改正之處，於是鬥膽給華羅庚寫信說明了自己的見解，得到華羅庚的擊節讚賞。在華羅庚推薦下，陳景潤來到北京，進入了科學院的數學研究所，從而為他以後奪取數論王冠上的明珠創造了條件。
在華羅庚的精心栽培下，數學研究所不斷湧現出出類拔萃的人才，萬哲先、陸啟鏗等有成就的數學家都是他的學生。
1979年夏天，幽靜的英國伯明翰大學突然熱鬧起來。報告廳前，小轎車川流不息，人們潮水一般湧入大廳。這天是來聽華羅庚做“優選法和統籌法”報告的，除了數學家，還有不少醫學家、工程學家和機械學家。
報告剛一結束，人們熱情地擁上講壇，有的表示祝賀，有的要求同他合影，有的請他簽名，有的數學家送上自己即將出版的預印本，請他提意見……
然而，有誰清楚，這巨大成功的背後隱含著多少酸甜苦辣！
知識從人民中來，應該回到人民中去。1964年秋，華羅庚來到西南鐵路建設指揮部。他先說明統籌法能否提高生產效率仍處於嚐試階段，接著用淺顯易懂的語言給大家講解了統籌法的有關知識，並耐心回答技術人員和工人提出的各種問題。講完之後，大家三五成群組成統籌施工戰鬥組和統籌運動戰鬥組，熱火朝天地幹了起來。為了使大家更好地掌握具體方法，華羅庚將自己的學生和助手也分成運輸統籌戰鬥組和施工統籌戰鬥組，不顧生命危險和跋涉之苦，輾轉在各個施工場地和大家並肩勞動。華羅庚自己則拖著殘腿，艱難地奔走在崎嶇不平的山路上。人們看到如此著名的大數學家不在城裏安然享受，卻跑到荒山野嶺吃苦受罪，都非常感動地稱讚道：“這才是人民的數學家呀！”