1930年春，他的論文《蘇家駒之代數的五次方程式解法不能成立的理由》在上海《科學》雜誌上發表。當時在清華大學數學係任主任的熊慶來教授看到後，即多方打聽並推薦他到清華大學數學係當圖書館助理員。1931年秋冬之交，華羅庚進了清華園。
華羅庚在清華大學一麵工作一麵學習。他用了兩年的時間走完了一般人需要八年才能走完的道路，1933年被破格提升為助教，1935年成為講師。1936年，他經清華大學推薦，派往英國劍橋大學留學。他在劍橋的兩年中，把全部精力用於研究數學理論中的難題，不願為申請學位浪費時間。他的研究成果引起了國際數學界的注意。1938年回國，受聘為西南聯合大學教授。從1939年到1941年，他在極端困難的條件下，寫了20多篇論文，完成了他的第一部數學專著《堆壘數素論》。在聞一多先生的影響下，他還積極參加到當時如火如荼的抗日民主愛國運動之中。《堆壘數素論》後來成為數學經典名著，1947年在前蘇聯出版俄文版，又先後在各國被翻譯出版了德文、英文、匈牙利和中文版。
1946年2月至5月，他應邀赴前蘇聯訪問。1946年，國民黨發動內戰，昆明城內恐怖萬分，他於6月離開昆明赴上海，9月和李政道、朱光亞等離開上海前往美國，先在普林斯頓高等研究所擔任訪問教授，後又被伊利諾大學聘為終身教授。
1949年新中國成立，華羅庚感到無比興奮，決心偕家人回國。他們一家五人乘船離開美國，1950年2月到達香港。他在香港發表了一封致留美學生的公開信，信中充滿了愛國激情，鼓勵海外學子回來為新中國服務。3月11日新華社播發了這封信。1950年3月16日，華羅庚和夫人、孩子乘火車抵達北京。華羅庚回到了清華園，擔任清華大學數學係主任。接著，他受中國科學院院長郭沫若的邀請開始籌建數學研究所。1952年7月，數學所成立，他擔任所長。他潛心為新中國培養數學人才，王元、陸啟鏗、龔升、陳景潤、萬哲先等在他的培養下成為著名的數學家。
回國後短短的幾年中，他在數學領域裏的研究碩果累累。他寫成的論文《典型域上的多元複變函數論》於1957年1月獲國家發明一等獎，並先後出版了中、俄、英文版專著；1957年出版《數論導引》；1959年萊比錫首先用德文出版了《指數和的估計及其在數論中的應用》，又先後出版了俄文版和中文版；1963年他和他的學生萬哲先合寫的《典型群》一書出版。他為培養青少年學習數學的熱情，在北京發起組織了中學生數學競賽活動，從出題、監考、閱卷，都親自參加，並多次到外地去推廣這一活動。他還寫了一係列數學通俗讀物，在青少年中影響極大。他主張在科學研究中要營造學術氛圍，開展學術討論。他發起創建了我國計算機技術研究所，也是我國最早主張研製電子計算機的科學家之一。
華羅庚以高度的愛國熱情參加新中國的各項社會活動。1953年，他參加中國科學家代表團赴前蘇聯訪問。他作為中國數學家代表，出席了在匈牙利召開的二戰後首次世界數學家代表大會。他還出席了亞太和平會議、世界和平理事會。1958年他和郭沫若一起率中國代表團出席在新德裏召開的“在科學、技術和工程問題上協調”的會議。
1958年，華羅庚被任命為中國科技大學副校長兼應用數學係主任。在繼續從事數學理論研究的同時，他努力嚐試尋找一條數學和工農業實踐相結合的道路。經過一段時間的實踐，他發現數學中的統籌法和優選法是在工農業生產中能夠比較普遍應用的方法，可以提高工作效率，改變工作管理麵貌。於是，他一麵在科技大學講課，一麵帶領學生到工農業實踐中去推廣優選法、統籌法。1964年初，他給毛主席寫信，表達要走與工農相結合道路的決心。同年3月18日，毛主席親筆回函：“詩和信已經收讀。壯誌淩雲，可喜可賀。”他寫成了《統籌方法平話及補充》、《優選法平話及其補充》，親自帶領中國科技大學師生到一些企業工廠推廣和應用“雙法”，為工農業生產服務。“夏去江漢鬥酷暑，冬往鬆遼傲冰霜”。這就是他當時的生活寫照。1965年毛主席再次寫信給他，祝賀和勉勵他奮發有為，不為個人而為人民服務。