新中国成立后不久，华罗庚毅然决定放弃在美国的优厚待遇，奔向祖国的怀抱。1950年春，携夫人、孩子从美国经香港抵达北京，回到了清华园，担任清华大学数学系主任。1952年7月，受院长郭沫若的邀请，成立了数学研究所，并担任所长。9月加入民盟。1953年，他参加中国科学家代表团赴苏联访问。并出席了在匈牙利召开的二战后首次世界数学家代表大会，以及亚太和平会议、世界和平理事会。
1955年，被选聘为中国科学院学部委员（院士）。1956年，他着手筹建中科院计算数学研究所，他的论文《典型域上的多元复变函数论》于1956年获国家自然科学一等奖，并先后出版了中、俄、英文版专着。1958年，他担任中国科技大学副校长兼数学系主任，同年申请加入党。同年，他和郭沫若一起率中国代表团出席在新德里召开的“在科学、技术和工程问题上协调”的会议。
运动时期
运动开始后，正在外地推广“双法”的华罗庚被造反派急电召回北京写检查，接受批判。华罗庚凭个人的声誉，到各地借调了得力的人员组建“推广优选法、统筹法小分队”，亲自带领小分队到全国各地去推广“双法”，所到之处，都掀起了科学实验与实践的群众性活动，取得了很大的经济效益和社会效益。
1969年，推出《优选学》一书，并将手稿作为国庆20周年的献礼送给了国家。1970年4月，根据周同志的指示，邀请了七个工业部的负责人听华罗庚讲优选法、统筹法。1974年，被“中央运动领导小组”副组长在法家着作注释会上公开点名，说他到20多个省市推广“双法”是“游山玩水”。1975年8月，在大兴安岭推广“双法”时，从大兴安岭采伐场地来到哈尔滨，积劳成疾，第一次患心肌梗塞。他昏迷了6个星期，一度病危。
运动以后
粉碎“四人bang”后，他被任命为中国科学院副院长。他多年的着作成果相继正式出版。1979年5月，到西欧作了七个月的访问，把自己的数学研究成果介绍给国际同行。
1979年6月，被批准加入党。1982年11月，第二次患心肌梗塞症。1983年10月，应美国加州理工学院邀请，赴美作为期一年的讲学活动。在美期间，赴意大利里亚利特市出席第三世界科学院成立大会，并被选为院士。1984年4月，在华盛顿出席了美国科学院授予他外籍院士的仪式，成为第一位获此殊荣的中国人。
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