1947年，升任法国国家科学研究中心研究员、研究导师，并获得法兰西荣誉军团军官勋章。

1948年初夏，接受了北平几所大学和中央研究院的邀请，放弃了法国良好的研究工作条件，带着襁褓中的婴儿，乘船回到中国。进入清华大学物理系教书，在此期间，兼任北平研究院原子学所所长。

1949年4月，钱三强给葛庭燧写信，向葛庭燧更是向所有海外游子发出“全国建设立即要开始，请有志者共同来参加这伟大工作”的号召。

1950年5月19日，中国科学院近代物理研究所成立，钱三强担任副所长。

1951年，所长吴有训调任中国科学院副院长，钱三强接任中国科学院近代物理研究所所长。

1954年2月，被任命为中国科学院学术秘书处秘书长。他首先抓的一项重要工作是筹建学部。经过反复酝酿讨论，他主持起草了筹组学部有关文件。同时，主持拟订了《学部暂行组织条例》。

1955年，被选聘为中国科学院学部委员（院士）；8月，加入中国共产党。

1956年11月16日，第一届全国人大常委会决定，成立主管原子能工业的第三机械工业部（1958年2月11日改为二机部），宋任穷任部长，钱三强与刘杰、袁成隆、刘伟、雷荣天等被任命为副部长，他是副部长之中唯一的科学家。

1958年，参加了苏联援助的原子反应堆的建设，并汇聚了一大批核科学家（包括他的夫人何泽慧），他还将邓稼先等推荐到研制核武器的队伍中。

1964年10月16日，51岁时参与研制出的中国第一颗原子弹爆炸成功，三天后，钱三强就被派往河南农村参加“四清”运动，接受贫下中农的再教育。

文化大革命时期，钱三强被下放到陕西五七干校。

1978年，文化大革命后，钱三强被任命为中国科学院党组成员和副院长，着手恢复学部的工作。

1978年8月—1982年6月，兼任浙江大学校长。

1980年7月24日，在中南海以《科学技术发展的简况》为题讲课。

1992年6月28日，在北京病逝，终年79岁。

钱三强在核物理研究中获多项重要成果，特别是发现重原子核三分裂、四分裂现象并对三分裂机制作了科学的解释。

钱三强于20世纪50年代领导建成中国第一个重水型原子反应堆和第一台回旋加速器，以及一批重要仪器设备。使中国的堆物理、堆工程技术、钎化学放射生物学、放射性同位素制备、高能加速器技术、受控热核聚变等科研工作，都先后开展起来。在苏联政府停止对中国的技术援助后，一方面迅速选调一批核科技专家去二机部，直接负责原子弹研制中各个环节的攻坚任务，一方面会同中国科学院有关领导人，组织联合攻关。使许多关键技术得到及时解决，为第一颗原子弹和氢弹的研制成功作出一定的工作。早在1960年，即在原子能所组织中子物理理论与实验两个研究组开展氢弹的预研工作，为氢弹研制作了理论准备，促成了中国在第一颗原子弹爆炸后仅两年零八个月，就研制成了氢弹。

1949年，北平解放后，中共中央派钱三强到去巴黎出席保卫世界和平大会。

1956年，钱三强带领40多名科学工作者在苏联实习考察。刚从美国回国的钱学森，也来到苏联和钱三强一同考察。

1990年5月7日，钱三强向时任国务院总理李鹏写了一封署名信。他写道：大家对中国人才“断层”问题深表关切和担忧。人才断层不仅表现在中层，还表现在高层，例如代表中国最高学术荣誉称号的中国科学院学部委员，也面临这种状况。6月2日，李鹏总理在办公室约见了周光召院长，就学部工作进一步听取情况汇报，进行研究。同年11月16日，国务院批准了中国科学院关于增选学部委员的请示，还规定增选学部委员每两年进行一次。自此，学部工作开始了规范化和制度化的实践，学部发展进入一个新阶段。

钱三强认为，中华人民共和国对科技人员的要求必须是又红又专的。他曾用数学中矢量的概念比喻红与专的关系：矢量中的箭头为前进的方向，代表“红”；箭头长度为专业水平，长度越长表示专业水平越高。中国的科技工作者，必须有爱国、敬业、奉献的精神。

钱三强出生在浙江湖州的一个书香世家，他的父亲钱玄同是中国近代语言文字学家，青年时代留学日本早稻田大学师范学习。回国后，先在一些中学任国文教员，后到北京担任北京高等师范学校和北京大学教授。

钱三强7岁时，被父亲送进了由蔡元培、李石曾、沈尹默等北京大学教授们创办的子弟学校——孔德学校（孔德是法国哲学家的姓）。

钱三强中学时的同班同学李志中写信给他，信中称他为“三强”，父亲钱玄同看见了问他“三强”是谁。他回答：“‘三强’是志中同学对我的称呼，因为我排行老三，喜欢运动，身体强壮，故称我‘三强’。”钱玄同当即称赞：“名字本来就是一个符号。我看‘三强’这个名字不错，可以解释为立志争取德育、智育、体育都进步。”从此，“钱秉穹”正式改名为“钱三强”。

1946年，钱三强与何泽慧在法国结婚，开始了共同的科学生涯。婚后两人育有两女一子，长女钱祖玄、次女钱民协、幼子钱思进。

钱三强为中国原子能科学事业的创立、发展和“两弹”研制作出了突出贡献。在组织推动中国科学院和国家的科学研究及国际合作等方面作出了重要贡献。（中国科学院评）

钱三强为中国原子能科学事业的发展呕心沥血，为培养中国原子能科技队伍立下了不朽的功勋。他是中国原子能事业的开拓者和奠基人之一，是中国发展核武器的组织协调者和总设计师。（《军工文化》评）

钱三强的一生，是追求科学真理的一生，也是为国家富强、科技发展做出重大贡献的一生。（时任中国科学院院长白春礼在钱三强百年诞辰座谈会上评）

他（钱三强）为创建原子能所尽了毕生精力，为国家的原子能事业作了不可磨灭的贡献。（中国工程院院士阮可强评）

他（钱三强）对科学事业满腔热忱，并且聪慧有创见。钱先生还是一位优秀的组织工作者，在精神、科学与技术方面，他具备研究机构的领导者所应有的各种品德。（钱三强的博士生导师伊雷娜·约里奥-居里评）

2003年10月17日，在钱三强诞辰90周年之际，经国际天文学联合会小天体提名委员会批准，将中科院国家天文台施密特CCD小行星项目组于1998年10月16日发现的国际编号25240号小行星命名为“钱三强星”。

2007年5月21日，浙江大学110周年校庆之际，由湖州市委、市政府捐建的原浙江大学老校长钱三强铜像落成仪式在紫金港校区启真湖西岸举行。

钱三强科技奖是中国核工业集团有限公司最高层次的科学技术奖，一人只能获得一次，并作为终身荣誉。

2013年10月16日，中国科学院、中国科学技术协会、中国核工业集团公司共同主办“钱三强百年诞辰暨钱三强何泽慧科技思想座谈会”，缅怀钱三强与夫人何泽慧的爱国情怀、杰出贡献、高尚品德。

2013年10月，CCTV-10科教频道《大家》节目播出纪录片《钱三强》。