同年，他加入中国民主同盟。1954年，张恩虬研制出中国第一只实验型示波管。1956年，张恩虬被调往北京，参与筹建中国科学院电子学研究所，并在筹建完成以后，担任电子物理实验室主任一职。同年，他的职称由副研究员晋升为研究员。1978年，张恩虬获得全国科学大会成果奖。同年，他成为电子学研究所副所长及电子学研究所学术委员会副主任，并加入中国共产党。两年后（1980年），他当选中国科学院技术科学部学部委员（后改称院士）。1990年5月7日，张恩虬于北京病逝。