1950年春回国。回国后，朱光亚担任北京大学物理系副教授。1953年1月，全国院校调整，调往东北人民大学(现吉林大学)任教授。1956年，参与筹建近代物理研究室(1957年划归北京大学)，担负起为中国培养第一批原子能专业人才的重任。1957年后从事核反应堆的研究工作，与邓稼先等负责并领导中国原子弹、氢弹的研制工作。1980年当选为中国科学院学部委员（院士），1986年6月至1996年5月，先后担任中国科学技术协会副主席、主席，1996年5月担任中国科学技术协会名誉主席。1994年被增补为全国政协副主席，