1964年，中國第一顆原子彈試爆成功，表明中國的國防力量已經躋身世界先進行列，打破了蘇聯人所謂：“沒有蘇聯專家，中國休想造出原子彈”的狂妄論斷。當原子彈試爆成功之後，無數國人為之振奮，很多人稱周光召對研製原子彈做出了重大的貢獻。周光召卻謙虛地說道：“科學事業是集體科學家的事業。研製原子彈，好比一篇讀起來驚心動魄、讓人熱血沸騰的文章。這篇文章是無數工人、解放軍戰士、工程師和眾多的科學技術人員一起寫下來的，我完成的部分不過是這篇文章的十萬分之一而已。”之後，周光召又參與了我國第一顆氫彈的研製工作，沒多久，氫彈也在廣闊的高原上爆破。因此，周光召和彭桓武、鄧稼先等八位科學家，一同獲得了1964年度的國家自然科學獎一等獎。1999年，周光召又獲得了“兩彈一星”的榮譽勳章。
馳名中外
數十年的物理理論學的研究，讓周光召成為享譽世界的物理學家。他曾經先後發表過104篇研究論文，這些論文讓他的科學生涯可以劃分為四個階段。
第一個關於階段從五十年代開始，周光召主要從事高能物理方麵的研究。在蘇聯研究院工作期間，周光召共發表了三十三篇論文，很多論文受到國際物理學界的一致好評，尤其是“極化粒子反應的相對論理論”和“靜質量為零的極化粒子的反應”兩篇論文。這些成功，在當時世界達到了領先的地位，周光召被國際物理學界所重視。此後，周光召又在《中國科學》雜誌上陸續發表了12篇科研論文。
第二階段從六十年代開始，中蘇決裂後，周光召在中國核武器的研究上的貢獻突出。
第三階段是在1976年之後，周光召將自己的科學研究轉入到了對粒子物理學上。他組織領導了很多青年，進行了CP破壞、超對稱性破缺等性質的研究工作，這些都取得了卓越的成就，再一次引起國內外學者的矚目。在1987年，周光召以“量子場論大範圍性質的研究”論文獲得了“重大科技成果獎一等獎。”
第四階段從1987年開始，周光召在科學研究中，他堅持實事求是的嚴謹作風和科學態度，凡是都要經過嚴密、嚴謹的科學研究程序來進行論證，絕不憑借主觀上的臆想而妄下定論。擔任中國科學院院長後，周光召表現了他非凡的科研能力和管理才能。他治理中國科學院的主要管理方針為“奉行勇於開拓精神，在中科院內形成民主、團結、融洽、活潑的學術氛圍，為在科學院工作的科學家們，提供一個舒適、愉快的工作環境。”周光召認為，“學術民主和百家爭鳴，是繁榮科技的唯一途徑”，中國科學院“絕對不會利用行政手段，幹涉學者們的學術自由。”他的這些民主措施執行後，形成了濃厚的學術氛圍，為培養科學人才奠定了良好的基礎。在這一階段中，周光召的科學研究取得了突出性的成果。
這些成果讓周光召在國際上名氣越來越大。1980年，周光召應邀前往美國弗吉尼亞大學、加州大學任客座教授。他受到了美國物理學界的熱烈歡迎，國外的很多物理學研究的同行，都將周光召當做是中國理論物理學界的代表性人物。美國著名的高能物理學家、美國物理學會主席馬夏克教授，為了歡迎周光召，親自在弗吉尼亞理工學院舉行一次學術會議，國際上很多的知名物理學家都前往參加了這次會議。在這次大會上，周光召在自己的演講中，表達了希望同美國進行科學友好合作的強烈願望。演講之後，周光召又被美國紐約大學授予榮譽科學博士的學位。
長期以來，周光召一再強調科學是不分國界的，但是科學家是有國界的，在擔任中國科學院的院長後，周光召也多次跟科學院的院士們一再這樣強調。因此，記者訪問周光召怎麼看待自己的這一榮譽時，周光召對記者說：“我認為這不光是我個人的一個榮譽，同時也是中國全體科學家共有的榮譽。這表明，中國科學家這些年的成就，已經得到了國際學術界的普遍認可，這對我才是最大的榮譽和成就。”周光召的回答讓記者和很多國際物理學的大師們，對這位熱愛祖國的中國物理學家更加地欽佩。