1946年初，周光召回到长沙，同年秋季考入清华大学先修班。1947年转入清华大学物理系。1951年毕业于清华大学物理系，从师于着名理论物理学家彭桓武教授，进行基本粒子物理的研究，1952年加入中国共产党。1954年毕业于北京大学研究生院。1957年赴苏联莫斯科杜布纳联合原子核研究所工作，周光召两次获得联合原子核研究所的科研奖金。1958年在国际上首先提出粒子的螺旋态振幅，并且建立了相应的数学方法。他是世界公认的赝矢量流部分守恒定理的奠基人之一。参加领导了爆炸物理、辐射流力学、高温高压物理、计算力学等研究