1949年年底，朱光亚牵头组织起草了《给留美同学的一封公开信》，并送给美国各地区中国留学生传阅、讨论、联合署名。这封信一经公开，就在中国留学生中引起轰动。到第二年2月下旬，已有52名决定当时回国的留学人员签了自己的名字。
1950年2月底，刚刚获得密歇根大学核物理专业博士学位不久的朱光亚，拒绝了美国经济合作署提供的救济金，搭乘“克利夫兰总统号”轮船返回祖国，成为第一批回国参与新中国建设的海外游子。
回到祖国仅仅四天，25岁的朱光亚就站在了北京大学物理系的讲台上。在这期间，商务印书馆出版了他的专著《原子能和原子弹》，这是中国当时系统论述核武器的学术著作。在完成教学之外，他没有忘记自己的原子弹之梦。
1959年，苏联撤走在华专家，我国必须完全依靠自己的力量发展核事业。当时的核武器研究所急需一位负责原子弹研制的“科学技术领导人”。年仅35岁的朱光亚临危受命，被调入核武器研究所，承担起中国核武器研制攻关的技术领导重任。
朱光亚还参加了新中国历次国家中长期科技发展规划工作，参与了国家“863 计划”的制定和实施，组织领导了历次国防科技与武器装备发展战略研究。1994年6月至1998年5月，他担任中国工程院第一任院长、党组书记，领导建立了一整套行之有效的工作方法和程序，为中国工程院的初创和发展做了大量奠基性和开拓性的工作。
