In 1935 keer sy gesin terug na die Sowjetunie. Kapitsa gradueer in 1949 aan die Moskou Lugvaartinstituut. Hy word senior navorsingsgenoot aan die Lebedev Fisika Instituut, Russiese Akademie vir Wetenskap en professor aan die Moskou Instituut vir Fisika en Tegnologie.
Kapitsa se bydrae tot fisika was op die gebied van toegepaste elektrodinamika en versnellerfisika; hy is veral bekend vir sy werk aan die mikrotron, 'n apparaat vir die skepping van elektronstrale. Later het sy navorsing op historiese demografie gefokus, waar hy 'n aantal wiskundige modelle ontwikkel het van die wêreldstelsel se hiperboliese groei en die wêreldwye demografiese oorgang.
Kapitsa was 'n pionier van skubaduik in die Sowjetunie, en hy het die eerste onderwaterfilm oor die See van Japan geskiet, wat op internasionale filmfeeste vertoon is, veral in Cannes, waar dit die tweede plek was na 'n film van Jacques Cousteau. Kapitsa was die vise-president van die Russiese Akademie vir Natuurwetenskappe en president van die Eurasian Physical Society, en was 'n sterk voorstander van die herstel van die steun vir wetenskap in Rusland.  In 1992 het die Komitee vir Skeptiese Ondersoek (CSICOP) die Toekenning vir Openbare Onderwys in Wetenskap aan Kapitsa toegeken.
Op 5 Maart 2014 onderteken die president van die Russiese Federasie 'n dekreet "Oor die herdenking van S. P. Kapitsa".
Op 12 Februarie 2015 het die Uitgewers- en Handelsentrum Marka 'n gedenkposseël uitgereik en 'n posstempel met die beeld van Sergei Kapitsa.
Vader - Pyotr Kapitsa, 'n toonaangewende Sowjet-fisikus en Nobelpryswenner vir Fisika "...vir sy basiese uitvindings en ontdekkings op die gebied van lae temperatuur-fisika."