改革近代教育
抗日战争爆发后，清华、北大、南开3个大学初迁长沙，再迁昆明，合并为西南联合大学。曾昭抡为筹组人员之一。在联大，他致力于教学和科研工作。当他看到国民党与共产党分裂，一反过去不问政治的常态，转而关心时局，选择了跟中国共产党走的道路，自觉投入民主革命的洪流之中。1944年，他在昆明加入中国民主同盟（初由黄炎培任主席，后由张澜任主席），与进步人士李公朴、闻一多等一道争取和平、民主，反对独裁。他还积极参加社会各种时事会、演讲会，发表反蒋、团结抗日等言论，深受进步师生的支持与爱戴。
抗战胜利后，国民党顽固派悍然发动内战，曾昭抡的反内战、反饥饿、反独裁方面的言论更为激烈，因而遭到国民党特务机关对他的严密监视。为避开迫害，他于1946年偕夫人再度重洋，去美国麻省理工学院任教，并潜心科学研究。他曾在美国从事过原子能的考察工作。1948年，他赴欧洲讲学，翌年在香港报界工作。此时，蒋介石强行解散了中国民主同盟，沈钧儒等人主持在香港进行重建，并发表了放弃“中间”立场，丢掉对国民党的幻想，愿意进一步和共产党实行密切合作的“宣言”。曾昭抡在香港积极参加各种进步活动，等待时机回大陆。
1949年6月，中国人民政治协商会议在北平召开筹备会议。在会议筹备期间，他就与周恩来取得了联系，周恩来发去电报，邀请他回北平出席全国第一次政治协商会议，参加新中国的建设。曾昭抡在香港闻讯，欣喜若狂，自感报效祖国，施展抱负的时候到了。周恩来还派潘汉年前往香港迎接。因此，曾昭抡怀着一颗赤诚之心，回到北平参加了9月21日至30日全国第一次政治协商会议。
建国初，曾昭抡先后任北京大学教务长兼化学系主任，教育部副部长兼高等教育司司长。1953年任高教部副部长兼全国科联副主任、中国科学院化学研究所所长、全国高分子委员会主任，1955年当选中国科学院学部委员，并先后担任第一届全国人民代表大会代表、第一届至第四届全国政协委员、中国民主同盟中央常务委员等职。在担任高教部副部长时，他深入全国各地高等学府调查研究，解决发展高等教育与科研中的问题。他虽然兼职甚多，但他牢记先祖曾国藩的家教，不图虚名，讲求实效，尽忠报国。他尽管行政事务缠身，但他对科研从不放弃。曾亲自审定过一万五千多个化学名词使之规范化。并根据在美国对原子能的考察和研究，著有《原子和原子能》一书，宣传原子能和平利用的广阔前景。他身为领导干部严守勤俭家风，处处以身作则，生活从不特殊。遇到他人有经济拮据，则解囊相助。1953年他去福州、厦门检查工作，火车只能到上饶，随行人员准备通知省里派车来接，他坚持与大家搭公共汽车和走路。1956年率高等教育考察团去苏联，不住单间，坚持与代表们一起住，赢得同志们尊敬。
1957年，曾昭抡与几位学者、教授合作，向国家提出一份有关我国科学体制问题的意见书，反右斗争中却被视为反党反社会主义的科学纲领，遭到批判，被错划为右派分子，撤消了一切职务。但这些从未动摇他强烈的事业心。1958年4月，背着全国七大右派之一的招牌，应武汉大学之聘，征得中央有关部门的同意，离开北京，执教武汉大学化学系。此时他已是60岁的人了，但他认真工作，潜心研究，在他的领导下建立了有机化学教研室，自兼教研室主任，编写了三百多万字的讲义。他主讲有机合成、元素有机等课程，并先后建立有机硅、有机磷、有机氟、有机硼和元素高分子等科研小组，特别对元素有机化合物的制备作了比较深入的研究，并组织撰写了《元素有机化学》丛书。这本书反映出当时最新的科研成果，受到专业工作者与科学界的好评。
曾昭抡在北京大学任教时进行了一系列教育改革。首先，加强实验室建设。他认为，实验室是教学和科研必备的条件。在他主持下，北京大学化学系扩建了4个实验室，进行了设备改装和增补，购置了许多新的实验仪器和化学药品，使实验室成为师生从事教学和科研的重要基地。
重视图书资料工作。曾昭抡为北大化学系图书室订购了许多美国、英国、德国等国的图书、期刊，亲自选定书刊目录，千方百计补齐缺刊，保证师生能接触到学术领域的各个方面及其最新发展。
重新编写教材。曾昭抡强调教材要反映科学技术的新发展。他亲自编写讲义，把一些最新动态和成果加进去、介绍给学生。他曾讲授过普通化学、有机化学、物理化学、有机合成、有机分析、炸药化学和化学工程等多门课程，由于他备课认真，又博学多闻，所以他的讲课很受学生欢迎。
曾昭抡还为改革教学方法做了许多工作。有时他在课堂上一边讲课，一边做示范实验，或者讲完了所学的内容后，集中一段时间让学生去做实验。例如有机合成课要求学生用一定数量的原料，在规定时间内完成20个合成实验；又如有机分析课要求学生对10个未知化合物和5个未知混合物进行分离、鉴定并写出报告。他这样重视实验的教学方法，在当时的中国尚属罕见。
曾昭抡对学生训练十分严格，他要求每个学生在毕业前必须接受科学研究的训练，一定要做毕业论文。北京大学化学系的学生1934年开始做毕业论文，从此，我国各大学也相继实行毕业论文制度。
开展化学研究
第一次国共合作而形成的国民革命运动正值高潮时期。曾昭抡在国内形势的吸引之下，放弃在美获得的优厚待遇，不顾美国的慰留，毅然返回祖国，致力于化学、化工研究。他先后在南京中央大学、北京大学担任化学教授，并任化学系、化工系主任。他吸取国外先进科研等方面成果，进行教育改革。在添置实验设备、充实图书资料、改进教育方法、提倡科学研究等方面都做了大量工作。1932年8月，他在南京发起成立中国化学学会，创办《中国化学通报》，担任该刊总编达20年之久。他还担任《科学》、《化学》、《化学工程》等杂志的编辑，并撰写大量学术论文。曾昭抡的学术方向侧重于化学发展史，尤其是对近代化学发展演进的历史作过专题深入的研究，相继发表了《有机化学百年进步情况》、《中国有机化学研究》、《二十年来中国化学进展》等，均引起科学界的高度重视。早在20年代，曾昭抡就开始做研究工作。他到北京大学后，由于他的倡导和带动，北大化学系形成了浓厚的研究气氛，在晚上和星期天，仍有不少教师和高年级学生在实验室专心从事研究工作，并做出了一批出色的研究成果。
在有机理论方面，曾昭抡和孙承谔等提出了一个计算化合物沸点的公式，指出一个化合物的沸点与所含原子半径有一定关系，只需将原子半径代入公式，就可以算出化合物的沸点。同时他们还提出了计算二元酸和脂肪酸熔点的公式。
在分子结构方面，曾昭抡等测得四氯乙烯的偶极矩为零，证明了该化合物有对称结构。他还测出了已二酸的偶极矩为4.04D，并推断该酸有桶形结构。
曾昭抡在制备无机化合物和有机卤代物方面，发表了10多篇论文，在谷氨酸、醌、有机氟化物及有机金属化合物方面，进行了一系列研究；在制备胺类化合物、盐类化合物、酚类化合物以及合成甘油酯方面，也做了不少工作；对有机化合物的元素检出和测定方法，提出了不少改进意见。曾昭抡还做过炸药化学研究，并发表过论文和出版了《炸药制备实验法》专著。他献身科学事业的忘我精神深受师生敬佩。有一次他带领学生做炸药试验，在爆炸前，他做了认真检查并让学生们先离开试验地，他亲自点燃导线后还在那里仔细观察。当时，一个学生看到冒烟了，便高喊：“曾先生，快离开！”他这才离开，刚走出不远，炸药就成功地爆炸了，在场的学生都为地捏着一把汗。
曾昭抡的研究领域相当广泛，他对化学名词、化学文献和化学史等方面也做过不少研究，发表过一些有价值的论文。
20世纪二三十年代，近代化学研究在中国刚开始起步，曾昭抡所做的许多研究工作，代表了当时中国化学研究的部分水平，有的为世界化学界所重视，他对中国近代化学发展所起的推动作用，更是功不可没。
曾昭抡在20世纪二三十年代还撰写了许多介绍国内外化学发展的文章。例如，他为《科学》杂志《有机化学百年进步号》专刊写了《有机化学百年进步概况》；为中国化学会十周年纪念专刊写了《中国之化学研究》和《中国有机化学的研究》；并为中国科学社二十周年纪念刊写了《二十年来中国化学之进展》。此外，他还撰写过《科学之最近进步》、《最近有机化学之进展》、《最近生物化学之进展》、《最近十五年来中国化学的进步》和《关于促进中国化学发展的几点意见》等综述性、知识性、评论性文章，这对促进中国化学研究和普及化学知识，起了重要的历史作用。
近代化学科学传入中国并得到发展，其中有一个重要因素，就是化学名词的命名和统一。曾昭抡非常重视这项工作，早在30年代初，就将《国际有机化学名词改良委员会报告书》和《日内瓦命名原案》译成中文向国内读者介绍，并发表了不少有关命名的文章。中华人民共和国建立后，曾昭抡任化学名词审查小组召集人，领导制订出《化学物质命名原则》，审定了《化学名词草案》。1953年，中国科学院召开全国化学物质命名扩大座谈会，曾昭抡主持会议并做了《化学物质命名扩大座谈会的总结报告》，竺可祯、吴有训参加了会议，对曾昭抡等人所做的工作，给予高度评价。化学物质种类繁多，命名和统一的工作极为重要，也极为复杂。曾昭抡对此项工作认真、细致，耗费了大量时间和心血，对我国化学界和化学科学的发展，做出了贡献。
曾昭抡估计，当时的化学系设备条件已经达到欧美二流大学水平，教师研究积极性超过欧美大学，比起10年前有了较大提高。那时，归国留学生积极组织学术团体，1932年组建了中国化学会，1934年出版了《中国化学会会志》，化学系同人都积极参与。
献身科教事业
1949年中华人民共和国建立后，曾昭抡任北京大学教务长兼化学系主任。根据建国初期中国教育事业发展的需要，他组织制订了新的教学计划，在德、智、体方面向学生提出了新的要求，使古老的北京大学焕发了青春。为了使刚入学的大学生打下良好的基础，他坚持亲自为化学系一年级学生讲授基础课，给学生们留下了深刻印象。
为团结全国科学工作者，发展新中国的科学教育事业，北平解放不久，中国科学社、中华自然科学社、中国科学工作者协会和东北自然科学研究会等科学团体，联合发起筹备召开中华全国自然科学工作者代表会议。曾昭抡作为副主任，积极参加了会议的筹备工作。
1950年8月18日至24日，中华全国自然科学工作者代表大会在北京召开，毛泽东主席接见了会议代表，周恩来总理在会上讲了话，曾昭抡在闭幕式上做了大会总结报告。这次会议是全国自然科学工作者空前团结的盛会，也是我国科学团体新生的大会，曾昭抡为会议的筹备和召开做了许多工作。在这次会议上，原来的四个科学团体自愿宣布解散，重新成立了统一的中华全国自然科学专门学会联合会（简称“科联”）和中华全国科学技术普及协会（简称“科普”）。李四光当选为全国科联主席，侯德榜、曾昭抡、吴有训、陈康白当选为副主席。
1951年曾昭抡任教育部副部长兼高教司司长。1953年成立高等教育部后，他便任高教部副部长直到1957年。在这期间，曾昭抡主管全国理工科大学和综合性大学的教学和科研工作，为我国高等教育质量的提高和高教事业的发展，做了大量工作。他任高教部副部长后，在三年内跑遍了大半个中国的高等学校，到各地召开了很多座谈会，深入了解学校的教学质量、科研情况以及教师和学生的意见、要求等，然后提出解决办法，深受各地师生欢迎。