1949年，从大洋彼岸传来了祖国解放的消息，中华人民共和国宣告成立。华罗庚抑制不住内心的激动，他立即决定返回祖国！他开始在暗中积极准备，寒假一到，他便以到英国讲学为名给全家人弄到船票，然后舍弃了洋房、汽车和半年的薪水，带领妻儿四人在旧金山登上一艘邮船，踏上了归国的路程。
船到香港，他给留美的中国学生写了一封公开信：“……朋友们，我们应当认清：我们既然得到了优越的权利，我们应当尽我们应尽的义务，尤其是聪明能干的朋友们，我们应当负担起中华人民共和国空前巨大的人民的任务！总之，为了抉择真理，我们应当回去；为了国家民族，我们应当回去；为了为人民服务，我们也应当回去；就是为了个人出路，也应当早日回去，建立我们工作的基础，为我们伟大祖国的建设和发展而奋斗！”1950年3月，新华社向全世界播发了这封公开信。这封信，字里行间充满对新中国的无限深情和希望，它使许多处在犹豫彷徨中的海外游子，纷纷冲破各种阻挠，返回祖国参加社会主义建设。
1950年3月16日，华罗庚到达北京，回到清华大学担任教授。
回国后30多年来，华罗庚先后担任过中国科学院数学研究所、应用数学研究所所长、中国科学技术大学副校长、中国科学院副院长等职务。他为中国的数学科学研究事业作出了重大的贡献。他在典型域方面的研究中所引入的度量，被称为“华罗庚度量”。
回国后不久，中国科学院告知华罗庚，他的《堆垒素数论》即将出版，华罗庚非常高兴，感慨万千。
1952年10月，亚洲和太平洋地区和平会议在北京召开，华罗庚以中国和平理事会和中苏友好协会领导成员的身份出席会议。不久，他又代表中国到斯德哥尔摩和东柏林参加世界和平理事会。1955年春，又随郭沫若率领的代表团赴印度新德里，参加“在科学、技术和工程问题上协调的会议”。1957年1月，他以《多复变函数典型域上的调和分析》的论文获中国科学院自然科学一等奖。频繁的社会活动，没有使华罗庚放松对数学的钻研，他抓紧一切时间，将以往的研究成果进行综合整理，发表了《多复变函数论典型域上的调和分析》一文。1957年，此文荣获国家一等发明奖。同年，他的《数论导引》出版，此书在国际上反响很大。一位美国着名数论家在《数学评论》上称华罗庚的这部书是“一本有价值、重要的教科书，有点像哈代与拉伊特的《数论导引》，但在范围上已越过了它。”
华罗庚的工作非常繁忙，他从不放过一点空隙时间来思考问题，在上班的途中或是讲课、开会之前的十几分钟里，也不例外。因此，他的研究硕果累累，据不完全统计，数十年里华罗庚共写了152篇数学论文，9部专着，11本科普着作。
成名后的华罗庚可以说是一个大人物了。不过，他从没有摆过大人物的架子，无论是对学生还是对同事。一次上课，他的学生王元发现他在黑板上写的行列式错了，就在课堂上当众指了出来。华罗庚仔细检验了他的算式，然后当场宣布：“我错了，应该按照王元的意见改正这个行列式。”至于着名数学家陈景润的被发现更是一段动人的佳话。陈景润在攻读华罗庚的《堆垒素数论》时，发现华罗庚关于“他利问题”的研究尚有可改正之处，于是斗胆给华罗庚写信说明了自己的见解，得到华罗庚的击节赞赏。在华罗庚推荐下，陈景润来到北京，进入了科学院的数学研究所，从而为他以后夺取数论王冠上的明珠创造了条件。
在华罗庚的精心栽培下，数学研究所不断涌现出出类拔萃的人才，万哲先、陆启铿等有成就的数学家都是他的学生。
1979年夏天，幽静的英国伯明翰大学突然热闹起来。报告厅前，小轿车川流不息，人们潮水一般涌入大厅。这天是来听华罗庚做“优选法和统筹法”报告的，除了数学家，还有不少医学家、工程学家和机械学家。
报告刚一结束，人们热情地拥上讲坛，有的表示祝贺，有的要求同他合影，有的请他签名，有的数学家送上自己即将出版的预印本，请他提意见……
然而，有谁清楚，这巨大成功的背后隐含着多少酸甜苦辣！
知识从人民中来，应该回到人民中去。1964年秋，华罗庚来到西南铁路建设指挥部。他先说明统筹法能否提高生产效率仍处于尝试阶段，接着用浅显易懂的语言给大家讲解了统筹法的有关知识，并耐心回答技术人员和工人提出的各种问题。讲完之后，大家三五成群组成统筹施工战斗组和统筹运动战斗组，热火朝天地干了起来。为了使大家更好地掌握具体方法，华罗庚将自己的学生和助手也分成运输统筹战斗组和施工统筹战斗组，不顾生命危险和跋涉之苦，辗转在各个施工场地和大家并肩劳动。华罗庚自己则拖着残腿，艰难地奔走在崎岖不平的山路上。人们看到如此着名的大数学家不在城里安然享受，却跑到荒山野岭吃苦受罪，都非常感动地称赞道：“这才是人民的数学家呀！”
华罗庚在大西南活动长达八个月之久。在这期间，他乘坐的吉普车曾几次在险峻的山路上演出惊心动魄的一幕幕，但华罗庚早已将个人安危置之度外。日后他回忆起这段生活时颇有感触地说：“在实际工作中我亲眼看到错误的数字可能导致阶级弟兄的伤亡，给国家带来巨大的损失，往往一位阶级兄弟、革命战士不惜牺牲性命以求的东西，就可能是我们计算时所忽略的小数点后第二位。”“我的这些体会是在书斋里、教室里如何设想也设想不到的东西，但在一滴水投进大海的时候，它就会发现要求变了，不再局限于如何不使自己干涸的问题，而是服从沧海的要求了！”
华罗庚立志到工农中去，从西南回京不久，他就与他志同道合的学生和助手们组成小分队，五人一组，从北京出发，前往各地推广统筹法和优选法。他们每到一处，先办训练班讲完课之后，便和当地群众一起做试验。听过他们讲解“双法”的人们，因急于见到“双法”产生的效果，所以夜以继日地进行试验。华罗庚和学生们巡回到各个现场亲自指挥。一期训练班办下来，往往能产生几十项成果。这使华罗庚兴奋不已，他和学生们四处奔波，时而出现在北京地铁的施工现场，时而出现在田间地头。当他们顶着酷暑来到江南农村，发现这里窝工现象严重，农民们只有等队长下命令后才动手干活。“能不能用统筹法把农活进行统一安排，让农民随时都知道自己该干什么呢？”带着这个想法，华罗庚把四季农活作了详细调查，然后用数学方法把人力、物力进行计算，将一年农活排列出来，并计算出一亩地需要几个工，尽量使农业生产管理科学化。在此期间，培养了一大批技术人员、工农骨干，使许多应用数学工作者得到了锻炼，摸索出了一条发展我国应用数学的道路。
1966年，十年浩劫开始，正在南方推广“双法”的华罗庚一行被紧急电报召回北京，华罗庚也被当作“资产阶级学术权威”遭到批判。不久，华罗庚在科技大学的柜子被撬，凝聚了他大量心血的数学手稿被盗。周总理得知后，批示要力求破案。与此同时，“四人帮”又扣压了他撰写的推广统筹法的文章，并且禁止拍摄和放映有关的科教电影。后来由于周总理亲自出面干预，这个阴谋才未能得逞。
1970年4月，周总理在《应给华罗庚以保护》的批示中，对保护华罗庚人身安全及追回被盗手稿等问题都作了具体批示。华罗庚和他的助手得以到上海搞试点。周总理的亲切关怀，使华罗庚感到无比温暖。
1970年6月9日，华罗庚、陈德泉、计雷飞抵上海，“有关方面”派人通知他们：“现在上海正在搞突出政治，搞技术的事情不大好办。你们不要下工厂了，也不要到处乱跑，免得发生意外……”而华罗庚呢，全然不听这些，与“四人帮”针锋相对，他把满腔的怒火都化做了工作的动力，顶着酷暑埋头研究，在大家的配合下，使用统筹法，仅用6天时间便完成了20天的工作量，一天就为国家多创价值20万元。随后，华罗庚又用优选法帮助裘履正解决了仪器零件去掉氧化膜问题。回到北京后，他们又应中国科学院化学研究所的邀请，采用优选法，以最快的速度找到了研制液晶的最优方案。
1982年，已经72岁的华罗庚冒着盛暑三下淮南，为两淮煤矿培训生产骨干。旅途的颠簸，艰苦的煤矿生活，使他第二次得了心肌梗塞，因病情危急被连夜护送到北京医院。
他的病情稍有好转，便偃卧在病床上，为《数学方法与国民经济》一书写下了动人的序言。他写道：“党下达了全面开创社会主义现代化建设新局面的动员令……每个炎黄后裔的科学家无不摩拳擦掌要为之竭其能，尽其力，奋不顾身地奋斗……考虑到与生命抢时间，尽心尽力为祖国，我将我血荐轩辕！”由此我们可以看到一位老科学家何等崇高的精神境界！