1948年，获选为中华民国中央研究院第1届(数理科学组)院士。1950年返国途中被美国政府拘留达数月之久。之后克服重重困难，于1950年底取道香港返回中国大陆，在中国科学院物理研究所、高能物理研究所工作。1955年当选中国科学院院士。1958年筹建中国科学技术大学近代物理系，兼任系主任。1966年文革开始后，赵因为在三星铅笔厂有股份，被定为「资本家」，又由于有滞留美国的经历，被戴上「特务嫌疑」的帽子，关进了牛棚受到监视与审查。一直到1973年，高能物理研究所成立，赵忠尧得以恢复工作，担任副所长并主管实验