第二年，邓稼先顺利回到了北京，被北京大学物理系聘为教授助理。在不断高涨的学生运动中，邓稼先积极参加了北大理学院的进步运动，热情支持民主学生运动，还担任了北京大学教职工联合会主席。

1948年夏，邓稼先考取了留美研究生，他来到了印第安纳州的普渡大学物理系研究生院攻读物理系。在学习之余，邓稼先参加了进步留学生团体“留美中国科学工作者协会”，并且担任了干事之职。

由于他学习成绩突出，不足两年便读满学分。得知新中国成立之后，邓稼先迅速写好了论文，顺利通过答辩，获得了博士学位，此时他只有26岁，人称“娃娃博士”。他的恩师和好友挽留，希望他留在美国，为自己奔一个好的前程，邓稼先婉言谢绝了。在获得学位后的第九天，就登上了开往上海的“威尔逊号”轮船。和邓稼先一样期盼早日回国的留学生和学者有一百多人，他们冲破了美方的重重阻挠，在1950年国庆前夕回到了祖国的怀抱。

回国后，邓稼先来到刚刚成立的中国科学院近代物理研究所，也就是后来的原子能研究所担任助理研究员，从事原子核理论研究。两年后，他被提升为副研究员。1953年，时年28岁的邓稼先与人大常委会副委员长许德珩的长女许鹿结婚。1954年，邓稼先如愿以偿地加入了中国共产党。

义无反顾投入一生

1958年，第二机械工业部的副部长钱三强找到了邓稼先，征求他的意见，问他是否愿意参加原子弹的研制工作。邓稼先想也没想，一口答应了下来。他等这一天等得太久了。由于工作性质的严格保密性，回到家里，邓稼先没有对妻子说实话，只是说“要调动工作”，以后不方便照顾家庭和孩子了，而且联系也非常困难，知书达理的妻子表示坚决支持邓稼先的工作。从那以后，邓稼先似乎突然从人间蒸发了一样，从人们的视觉中悄悄地消失了。

在就任第二机械工业部第九研究所理论部主任后，邓稼先来到北京各大高等院校，挑选了一批大学生，组织起了第一批研制原子弹的队伍。他带着这支队伍来到了北京郊外的一片庄稼地里，开始了战斗。

1959年，中苏关系恶化，苏联单方面停止了原有的协议，调走了专家，原子弹研究工作一度陷入了瘫痪。邓稼先毅然挑起了大梁，负责原子弹的理论设计，同时积极部署各个部门分头研究计算，自己带头攻关。

1962年9月，在邓稼先的努力之下，第一颗原子弹的理论设计方案成功完成了。在这个方案的基础之上，第二机械工业部党委向中央呈交了相关的报告。后来政治局作出决定，确定了原子弹爆炸的最终时间。1964年10月16日下午，冉冉升起的蘑菇状烟云向全世界宣告中国第一颗原子弹爆炸成功。之后，邓稼先继续领导了研制氢弹的新任务。1966年底突破氢弹原理，次年6月，成功爆炸了中国第一颗氢弹。

邓稼先长期担任核试验的领导工作，在最关键、最危险的时候总是出现在第一线。在生死关头，他总是站在操作人员的身边，给人巨大的鼓舞和安慰。

有一次，出现降落伞事故，原子弹坠地，摔裂了一个很大的口子。邓稼先抢先一步，把摔碎的原子弹碎片拿到手里仔细检验。他的妻子是医学教授，回北京之后，强拉着他去做了全身的检查，检查结果显示邓稼先的肝脏被损，骨髓里也侵入了放射物。但是他并没有因此放弃或者退缩，而是坚持回到了基地。后来辐射越加严重的时候，走路都很困难，但是邓稼先给研究人员下命令说：“你们还年轻，绝对不能去。”1972年，邓稼先先后担任核武器研究院副院长和院长。1984年，他在大漠深处指挥中国第二代新式核武器试验成功。

1985年，邓稼先回到北京后，倒在了病床上。国家尽最大的力量来挽救他的生命，结果于事无补。在他去世之前，国家给他配了小汽车，邓稼先在家人的陪同下坐车转了一圈，表示接受了国家的礼物。

1986年，邓稼先因身患癌症而逝世。