1941年珍珠港事件后，美对日宣战，中美成为盟国。1943年，周培源再次利用休假，携全家回到母校加州工学院，全力投入到湍流研究中。二战结束后，美国海军军工试验站以优厚的待遇邀请他加入。这是一个政府科研机构，外籍人员必须加入美国国籍。但是周先生反向美方开出条件：第一，不入美国籍；第二，只承担临时性任务；第三，可以随时离开。

1947年，国民党已全面发动内战，国统区政治腐败、通货膨胀、民不聊生，政权即将崩溃。国内外的不少朋友当时都劝周培源不要回国。那时大学教授的月薪仅相当于大概25美元。他丝毫不留恋美国的优厚待遇和工作条件，也不相信国内外敌对势力对中国共产党的种种不实宣传，报效中华之心极为坚定，带领全家于1947年4月回到北平。

周培源以“独立思考、实事求是、锲而不舍、以勤补拙”这16个字总结了他所从事的科研活动。“锲而不舍就是像锥子一样，数十年紧紧地锥住它，就是钢板也会锥出个孔来。如果一个人有这样的精神和毅力，总是可以做好几件事情的。”他是这样说的，也是这样做的。“文革”期间，全国放松基础理论研究，周培源在周总理的指示下，根据科学技术发展的规律，从国家近期和长远利益的综合考虑出发，态度鲜明地坚持基础理论研究。并在《光明日报》发表文章《对综合大学理科教育革命的一些看法》，有如空谷足音,传达了知识分子心声，在教育界引起很大反响。在他86岁的高龄时，还亲自参与三峡工程的可行性研究的视察。1989年，他年近90岁，身患心肌梗塞，在卧床住院期间，仍然亲自指导他的博士生撰写论文，并亲自对公式逐个加以校验。正是这种精神使得他在科学生涯中取得了举世瞩目的成就。

周培源还是一位伟大的社会活动家，担任过许多重要的职务。1947年回国后历任清华大学教务长、校务委员会副主任。1952年全国高等学校院系调整后，转任北大教授、教务长。此后还相继担任过北大副校长、校长、党委副书记；1958年加入了中国共产党。他还担任过中国科协主席、中科院副院长、九三学社中央委员会主席及全国政协副主席等等。1981年因年事已高，他主动辞去了校长职务。半个多世纪来，每当社会发生巨大政治变动及尖锐复杂斗争的关口，作为一位著名的社会活动家，他总是为伸张正义和维护民族尊严、为祖国的科学文化繁荣而奋斗。热爱祖国追求真理，一身正气，无私奉献是他一生的写照。