1927年,严济慈学成回国。与东南大学第一批毕业的女大学生,等他四年的张宗英小姐结婚。同年10月分别担任上海大山大学、中国公学、暨南大学和南京第四中山大学的数学、物理学教授。翌年冬季,严济慈获得中华教育文化基金会甲等补助金,携夫人再度法国。先后在巴黎大学光学研究所和法国科学院大电磁铁实验室做了两年研究工作,并到居里夫人实验室,帮助安装调试显微光度计和做有关干涉现象的测试。 19 30年底,严济慈乘火车经苏联到北平。被国立北平研究院聘为物理所专职研究员和所长。一年后,又兼任镭学研究所所长。并与北平物理学界人士集会商榷,于1932年创建了中国物理学会。
三十年代是严济慈科学生命最强盛的时代。这时期,他与助手共发表53篇论文。除了2篇在中国物理学报上发表,其余51篇都发表在法、英、德等国的权威学术刊物上。他在物理学的许多领域一直走在世界的前列,取得了富有开创性的重大成果。1935年,被法国物理学会选为理事。在此期间,他还为祖国培养了一代杰出的科学精英。陆学善、钟盛标、钱临照、翁文波、吴学蔺等一批年青人,跟随他从事科学研究。著名核物理学家钱三强就由他亲自带到法国,推荐给巴黎大学镭学研究所著名的居里夫人实验室,从事研究工作。
1937年,严济慈赴法国、瑞土参加五个国际会议。1945年,应美国国务院的邀请,作为访问教授到美国各地进行为期一年的讲学。
1948年,当选为中央研究院院士,出任中国物理学会理事和北平科学工作者协会理事长,并加入九三学社。
1949年9月,中国科学院院长郭沫若到物理研究所访严济慈时,提出要他出任中国科学院办公厅主任。从此,他的科学生涯开始了新的一页。他访能纳贤,知人善任,带领新老科学家团结一致,建设经济,发展科学。他先后出任中国科学院办公厅主任,东北分院院长。数理化学部委员,技术科学部主任、副院长,中华全国自然科学专门学会联合会秘书长,中国科技大学副校长、校长,《科学通报》主编和《中国科学》主编等职务。积极致力拓展我国科技同国际间的合作与交流。1988年获密特朗总统授予的法国荣誉军团军官勋章。同时他还是著名的社会活动家,他曾任全国人大常委会副委员长,中国科学院主席团执行主席,中国科学技术协会名誉主席,九三学社中央副主席、名誉主席等职。