梁園雖好，非久居之地，歸去來兮！
華羅庚回到祖國以後，受到了黨和國家的高度重視，受到數學同行們的熱烈歡迎。他來到清華大學，擔任數學係教授和數學係主任。此後，他擔任過中國科學院數學研究所所長，應用數學研究所所長，中國科學技術大學副校長，中國科學院副院長等職務。新生的中國為華羅庚的科學研究提供了一個任其縱橫馳騁的廣闊天地。海闊憑魚躍，天高任鳥飛，華羅庚的數學研究取得了一個又一個突破，他為中國的數學科學的研究事業做出了重大貢獻。
華羅庚在多複變數函數論方麵的研究，特別是典型域方麵的研究，是他對數學的突出貢獻之一。早在1944年，華羅庚就指出：四大類典型域的研究，可以歸化為矩陣幾何的研究。從那時起，他就係統地建立了四類典型域上的解析函數的調和分析理論。這些工作不僅有其函數論上的重要意義，而且對李群的表示理論、齊性空間的理論，以及多複變數自守函數理論等方麵都是十分重要的。回國以後的研究，又有了實質上的推進，他在這方麵引入了一種度量，被稱為“華羅庚度量”。1957年1月，他在這方麵研究的論文《多複變函數論典型域上的調和分析》獲得了國家科學研究一等獎。
50年代，華羅庚撰寫了兩本關於數論方麵的專著：1953年《堆壘素數論》中文版出版，1957年又出版了60萬字的巨著《數論導引》。《數論導引》是有關數論研究的集大成之作。其中有大量未公開發表的結果，以及三角和方麵的基本材料、“華林問題”和“他利問題”等。
國際上權威性數學雜誌《數學評論》對華羅庚的《數論導引》給予了極高評價：“這是一本有價值的、重要的教科書，有點像哈代和萊特的《數論導引》，但在範圍上已越過了它。這本書清晰而深入淺出的筆法也受到稱讚，推薦它作為那些想研究中國數學的人的一本最好的入門書。”
60年代，華羅庚同他的學生王元對應用代數數論的工具，提出了數值積分的一個新的計算方法，國外稱之為“華—王方法”，被讚為精美的代數數論方法，說他們做出了“價值連城的貢獻。”華羅庚還同他的學生裴定一、王元在代數數論研究中，糾正了德國數學家希爾伯特的一項命題的錯誤。19世紀末，希爾伯特在《代數數論》中提出的“方圓城獨立單位係”的定量，80多年來公認為不可動搖。華羅庚和他的學生向權威發起了攻擊，發現了這個定理把隻在部分情況下運用的東西當做了普遍的命題。他們以獨到的見解，提出並證明了“分圓域獨立單位係”的普遍性正確命題，為我國在這一方麵的研究作出了新的成績，也在世界數學界引起了一次巨大的衝擊波。
華羅庚20年代末向數論高峰開始了攀登，到了三四十年代，他在數論、代數、函數論等科學領域中，已經贏得了世界性的聲譽。聲譽，它可能變成不求上進的養尊處優的溫床，也可能成為不止不息，永不休戰的動力。他沒有停步，在社會主義時代，華羅庚的數學研究，迎來了真正的黃金時期，他從數學的廣度、深度和高度方麵，開始了新的進軍，取得了舉世矚目的卓越成就。
據不完全統計，數十年間華羅庚共撰了200多篇數學論文，10部數學專著，11本科學著作。1939年至1965年間，在《數學評論》上，評論華羅庚著作與論文的文章多達105篇。
回國以後，華羅庚在致力於數學研究並取得卓越成果的同時，他開始注意發現和培養有誌於獻身數學科學的年輕人，建立了一支雄厚的高水平的數學研究隊伍，為祖國的科學研究工作起到了巨大的推動作用。這項工作是在他回國不久，黨和國家領導人鄭重交代給他的。
在召開全國第二次政治協商會議期間，有一天晚上舉行文藝晚會，華羅庚因為一項臨時工作而來遲了。懷仁堂大廳的燈光已暗了下來，台上表演著精彩的節目，他正在焦急地尋找自己的座位。突然，一個親切的聲音傳來：“到這裏來座，華羅庚同誌！”他循著聲音，在一個空位子上坐了下來，不前不後，角度適中。他正準備向招呼他的人表示謝意，轉頭一看，原來是敬愛的毛澤東主席。他和毛主席肩並肩地坐在一起。他的心怦怦地跳起來，到嘴邊上的話也說不出來了。毛主席和藹的談話，才把他從局促不安中解脫出來。毛主席說：“華先生，您也是窮苦出身的嘛，希望你為我們多培養出些好學生！”
從此，華羅庚在教學過程中，注意發現人才，把有發展前途的青年人吸收到數學研究所來，指導他們從事各個領域的研究工作。
1956年，科學院數學研究所在北京召開全國性的數學討論會。會上宣讀的卓有見地的研究論文，引人注目，令人振奮。但是最為震動全場的是，華羅庚宣布的一條消息：一個青年數學工作者寄來的論文，這篇文章對他的《堆壘素數論》中的“他利問題”提出商榷，並以別致的方式和精確的計算，彌補和改進了“他利問題”。論文的作者，就是今天名聞中外而當時仍默默無聞的陳景潤。
原來，陳景潤畢業於廈門大學數學係，畢業後到北京一所中學任教。由於他癡迷於數學研究，忽視了學校的教學工作而被辭退。他回到廈門以後，得到了廈門大學校長王亞南的關照，召他回到母校，在圖書館管理員的名義下，繼續進行數學的學習和研究。對華羅庚的《堆壘素數論》提出批評意見，這是他向科學高峰挺進的第一步，也是他進入數學科學界的開門炮。陳景潤對《堆壘素數論》和這部名著的作者，充滿了敬佩之情，但他並不盲目崇拜。他在研讀這部大作的“他利問題”時，忽然發現了令人難以覺察的錯誤。最初，他不敢相信自己的眼睛，這是數學名家的筆誤，還是自己知識淺薄的過錯？他還吃不準。經過反算驗算，他確信自己的見解是正確的。於是，陳景潤決定給他崇敬的數學前輩華羅庚寄去指出錯誤的論文，並附上了一封信，言詞謙虛誠懇，向華羅庚表示：“明星上落下了微塵，我願幫您拭去！”