回国后任职于全国水力发电工程总处，历任设计组主任工程师、副总工程师、总工程师等职。中华人民共和国成立后，张光斗一直在清华大学任教。1952年出任水利工程系副主任。1955年当选中国科学院技术科学部学部委员（院士），并任中科院水工研究室主任。同年加入九三学社，1956年又加入中国共产党。1958年出任水利水电勘测设计院院长、总工程师，1978年起又历任清华大学水利工程系系主任、副校长等职，期间还曾任中国科学院、水利电力部北京水利水电科学研究院院长。1981年当选墨西哥国家工程科学院外籍院士。1994年当选