台島講學，潛心寫作
吳大猷雖身在美國，卻始終惦記著祖國的科學事業。1956年11月至1957年8月，他曾接受海基會的邀請，回台灣在台灣大學進行講學；並接受新竹清華大學校長梅貽琦之請，到該校講授古典力學和量子力學，兼及流體力學和核子間的交互作用問題。此次講學，吳大猷還介紹了李政道和楊振寧關於對稱不守恒的發現。這趟回台灣，吳大猷深切地感到，台灣整個科學人才的凋零和根基的薄弱。他認為，必須有一個長期發展科學與學術的計劃。當時的中研院院長胡適，請吳大猷提出一個長期的科學發展計劃。其後，便根據吳大猷的提議，成立了一個長期科學發展委員會，以煙酒公賣的一些利潤，支持此一計劃。
1958年至1959年間，吳大猷應邀至美國普林斯頓高等研究院為研究員。當時的普林斯頓群星熠熠。吳大猷與一些世界級物理大師相處並作學術交流，這對他在科學道路上的邁進，無疑起了極大的促進作用。1960年至1961年，吳大猷應瑞士洛桑大學之邀，為瑞士國家研究基金會舉辦講座，講解他剛剛開始研究的氣體及離子體理論。期後，吳大猷任台灣中央研究院物理學研究所代所長；1965年兼任物理學研究中心主任，開始新的物理學事業籌劃工作；1967年被任命為科學發展指導委員會主任和科學委員會主任兩個相關職務。此後，他每年兩次回台灣工作5個月。1969年後，專注於個人研究和台灣科學事業。
自1978年在紐約州立大學退休後，吳大猷卻沒有過真正的退休生活。他決心將自己的餘熱獻給台灣的科學與教育事業，於是返回台島定居，全身心致力於台灣的科學發展策劃、科學教育的改進；並應邀在各名牌大學授課，給大學生講授理論物理學、數學物理學發展史，以及量子物理學、古典物理學、氣體運動論、原子和分子物理學、非平衡態熱力學和散射的量子理論等。他還從事科學研究。1979年，他又出任科學教育指導委員會主任，致力於初中、高中的科學教育改革。
1983年，吳大獻賣掉他在美國的房屋，回到台灣，全身心投入教育和科學事業當中。這一年，由蔣經國指定，吳大猷被任命為台北中央研究院院長。第二年，眾望所歸的吳大猷，又出任台灣中華教育文化基金會董事長。他到任後，一直主張科學有所用及並與政治分開，加強兩岸的學術交流。
後半生中，吳大猷潛心寫作。1974年出版《現代物理學基礎的物理和哲學性質》。1976年，在別人的幫助下，他將自己的英文講稿翻譯成中文，作為一套7卷的理論物理學教程，由台灣聯經出版社出版。1986 年，年近八旬的吳大猷，開始用英文為新加坡世界科學出版社撰寫《量子力學》一書。自1988年開始，他先後用中、英文撰寫了《物理學的發展史及哲學》一書。吳大猷傾盡全力獻身科學的精神，深得廣大台灣學者敬佩。在他80壽辰之際，他們將吳大猷的119篇論文彙集成冊出版。與此同時，吳大猷先後向台灣當局提出過許多有益的建議，向社會報告科學發展以及關於改革教育、純化民風等論題，這些也由遠流出版公司分集出版，即多冊的《吳大猷文選》。
1988年，吳大猷在《傳記文學》上撰文聲稱，蔣介石於60年代末曾把他請到台灣，將其所謂的“國防部”研擬的核武器計劃讓吳大猷審閱，並詢問意見。吳大猷當即提出三點反對意見，並建議將此軍事預算轉用於加強基礎科學研究。
由於在科學研究和教育方麵的諸多貢獻，吳大猷獲得了國內外的許多重要榮譽。
夢縈北大，魂歸故園
吳大猷一生中有很長的時間漂泊在海外，但他始終對祖國大陸懷有深深的眷戀之情。
在人生的最後階段，吳大猷先生仍然念念不忘尚未完成的工作——編寫《中國物理學發展史》。而這部物理學史，他本來是打算到北京大學取材完成。
1998年11月，吳大猷再次返回大陸，在廣東南沙接受霍英東基金會授予的傑出成就獎，並回到已闊別64年的故鄉廣東肇慶。吳先生說，自己在台北時，時常夢見童年的小學校、簡陋的教室和課桌、幾個年級的同學同班上課……如今家鄉變化太大了。吳先生祖籍——肇慶市高要縣的頂湖村，已經被聯合國教科文組織確定為“人文生物圈研究試驗點地區”，成為美麗的旅遊景點。