第二年，鄧稼先順利回到了北京，被北京大學物理系聘為教授助理。在不斷高漲的學生運動中，鄧稼先積極參加了北大理學院的進步運動，熱情支持民主學生運動，還擔任了北京大學教職工聯(lián)合會主席。

1948年夏，鄧稼先考取了留美研究生，他來到了印第安納州的普渡大學物理系研究生院攻讀物理系。在學習之余，鄧稼先參加了進步留學生團體“留美中國科學工作者協(xié)會”，并且擔任了干事之職。

由于他學習成績突出，不足兩年便讀滿學分。得知新中國成立之后，鄧稼先迅速寫好了論文，順利通過答辯，獲得了博士學位，此時他只有26歲，人稱“娃娃博士”。他的恩師和好友挽留，希望他留在美國，為自己奔一個好的前程，鄧稼先婉言謝絕了。在獲得學位后的第九天，就登上了開往上海的“威爾遜號”輪船。和鄧稼先一樣期盼早日回國的留學生和學者有一百多人，他們沖破了美方的重重阻撓，在1950年國慶前夕回到了祖國的懷抱。

回國后，鄧稼先來到剛剛成立的中國科學院近代物理研究所，也就是后來的原子能研究所擔任助理研究員，從事原子核理論研究。兩年后，他被提升為副研究員。1953年，時年28歲的鄧稼先與人大常委會副委員長許德珩的長女許鹿結婚。1954年，鄧稼先如愿以償?shù)丶尤肓酥袊伯a(chǎn)黨。

義無反顧投入一生

1958年，第二機械工業(yè)部的副部長錢三強找到了鄧稼先，征求他的意見，問他是否愿意參加原子彈的研制工作。鄧稼先想也沒想，一口答應了下來。他等這一天等得太久了。由于工作性質(zhì)的嚴格保密性，回到家里，鄧稼先沒有對妻子說實話，只是說“要調(diào)動工作”，以后不方便照顧家庭和孩子了，而且聯(lián)系也非常困難，知書達理的妻子表示堅決支持鄧稼先的工作。從那以后，鄧稼先似乎突然從人間蒸發(fā)了一樣，從人們的視覺中悄悄地消失了。

在就任第二機械工業(yè)部第九研究所理論部主任后，鄧稼先來到北京各大高等院校，挑選了一批大學生，組織起了第一批研制原子彈的隊伍。他帶著這支隊伍來到了北京郊外的一片莊稼地里，開始了戰(zhàn)斗。

1959年，中蘇關系惡化，蘇聯(lián)單方面停止了原有的協(xié)議，調(diào)走了專家，原子彈研究工作一度陷入了癱瘓。鄧稼先毅然挑起了大梁，負責原子彈的理論設計，同時積極部署各個部門分頭研究計算，自己帶頭攻關。

1962年9月，在鄧稼先的努力之下，第一顆原子彈的理論設計方案成功完成了。在這個方案的基礎之上，第二機械工業(yè)部黨委向中央呈交了相關的報告。后來政治局作出決定，確定了原子彈爆炸的最終時間。1964年10月16日下午，冉冉升起的蘑菇狀煙云向全世界宣告中國第一顆原子彈爆炸成功。之后，鄧稼先繼續(xù)領導了研制氫彈的新任務。1966年底突破氫彈原理，次年6月，成功爆炸了中國第一顆氫彈。

鄧稼先長期擔任核試驗的領導工作，在最關鍵、最危險的時候總是出現(xiàn)在第一線。在生死關頭，他總是站在操作人員的身邊，給人巨大的鼓舞和安慰。

有一次，出現(xiàn)降落傘事故，原子彈墜地，摔裂了一個很大的口子。鄧稼先搶先一步，把摔碎的原子彈碎片拿到手里仔細檢驗。他的妻子是醫(yī)學教授，回北京之后，強拉著他去做了全身的檢查，檢查結果顯示鄧稼先的肝臟被損，骨髓里也侵入了放射物。但是他并沒有因此放棄或者退縮，而是堅持回到了基地。后來輻射越加嚴重的時候，走路都很困難，但是鄧稼先給研究人員下命令說：“你們還年輕，絕對不能去?！?972年，鄧稼先先后擔任核武器研究院副院長和院長。1984年，他在大漠深處指揮中國第二代新式核武器試驗成功。

1985年，鄧稼先回到北京后，倒在了病床上。國家盡最大的力量來挽救他的生命，結果于事無補。在他去世之前，國家給他配了小汽車，鄧稼先在家人的陪同下坐車轉了一圈，表示接受了國家的禮物。

1986年，鄧稼先因身患癌癥而逝世。