为了使钱三强有更多的学习机会，约里奥—居里夫人又提议，让钱三强到其丈夫约里奥先生主持的法兰西学院的原子核化学研究所学习，并允许他一段时间在这里工作，一段时间到那里工作。
在约里奥先生实验室工作，不仅向先生学到科学技术，还学到他的科学思想、科学道德。这将使钱三强受益终生。
1939年1月的一天，约里奥教授让钱三强看一张照片，原来这是一张用云雾室拍下的铀受中子轰击后产生裂变的碎片的照片。这是当时第一张直接显示裂变现象的照片，是十分珍贵的。
不久，约里奥—居里夫人又邀请钱三强和她合作证明核裂变理论。在两位导师的指导下，钱三强很快完成了博士论文——《α粒子与质子的碰撞》。
1940年钱三强获得了法国国家博士学位。
钱三强是幸运者，能在两位世界第一流科学家的教诲下学习、工作，使他很快进入了科学研究的前沿，还使他亲眼目睹了人类一次伟大的科学发现——核裂变。
1946年春，钱三强与他的同行合作，经过反复实验，终于发现了铀核的三分裂和四分裂。这一发现不仅反映铀核特点，而且使人类能进一步探讨核裂变的普遍性。导师约里奥骄傲地说：“这是第二次世界大战后，他的实验室的第一个重要的工作。”为此，1946年底，钱三强荣获法国科学院亨利·德巴微物理学奖。1947年升任法国国家科学研究中心研究导师。
毅然决定回国
11年的勤奋使钱三强获得了最高的奖赏，也赢得了留法中国人中学术水平最高的地位。在这样优越的工作条件与生活条件下，他却要回国。
1948年，钱三强找到中共驻欧洲的负责人刘宁一，提出要求回国的心愿。刘宁一鼓励他，“回国大有作为。”
钱三强也把自己要回国的打算告诉了导师约里奥。听了学生的要求，身为法国共产党员的约里奥满意地说：“要是我，也会作出这样的决定。”钱三强又去向约里奥的夫人话别。约里奥—居里夫人语重心长地说：“我俩经常讲，要为科学服务，科学要为人民服务，希望你把这两句话带回去吧！”
导师的话，成为他一生的座右铭。
钱三强临行前，两位导师在自己的花园里为钱三强夫妇饯行。
1948年5月钱三强和他的夫人何泽慧，抱着刚半岁的女儿，带着丰硕的科研成果，带着导师的重托和法国同行的深情厚意，离开了巴黎回国。还随身带着一份珍贵的文件，这就是导师给钱三强在法国学习与工作的鉴定。
鉴定是这样写的：“钱先生表现出科研人员所具有的特殊素质，在我们共事期间，他的这些素质又进一步得到加强。他已完成了大量的研究工作，其中有些是非常重要的。他心智敏慧，对科学既有满腔热忱，又有首创精神。我们可以毫不夸张地说，在我们实验室实习并在我们领导下工作的同一代科学家中，他是最优秀的。我们曾委托他领导几批研究人员，他用自己的才华出色地完成了这项困难的任务，并受到他的法国和外国学生的爱戴。”“我们的国家对于钱先生的才干业已承认，并先后赋予他重任，先是任命他为国家科学研究中心的研究员，接着又聘任他为研究导师。他同时也是法兰西科学奖的获得者。”“钱先生还是一位优秀的组织者。他具备了研究组织工作的领导者所特有的精神、科学和技术素质。”
1948年夏，钱三强带着法国朋友的友谊和祖国人民的殷切期望，回到了阔别了11年的祖国，迈上了新的里程。
珍贵的5万元美金
1949年3月的一天，钱三强忽然接到一个通知，他要作为代表到巴黎出席保卫世界和平大会。钱三强想：这次去巴黎开会如果能遇到约里奥—居里老师，请她代为订购一些原子核科学研究的仪器设备，以及图书资料该有多好。钱三强抱着试试看的心理，向代表团联系人提出，需要约20万美元。4天后，钱三强接到电话，请他到中南海。
在中南海，等候钱三强的是中央统战部部长李维汉，他热情接待了钱三强，并说：“三强，你的想法很好，中央研究过了，决定给予支持。清查了一下国库，还有一部分美金，先拨5万美元供你使用……”听了李部长的话，钱三强心里久久不能平静，他埋怨自己太书生气。战争还没有结束，城市要建设，农村要发展，国家经济困难……哪有那么多外汇呢？
不久，钱三强拿到了为发展原子核科学事业的美元现钞，心中万分激动、兴奋。他深深地晓得这美元是经历了火与血的战乱，是刚刚从潮湿的库洞中取出来的，是来之不易的。
拿着这沉甸甸的美元，钱三强思绪万千，深深感到科学工作任重而道远。
重要的会议
中国科学院近代物理研究所成立后，钱三强先后担任了副所长、所长职务。
1955年1月14日，钱三强和地质学家李四光应周总理召见来到总理办公室。周总理听取了李四光介绍我国铀矿资源的勘探情况，又听取了钱三强介绍原子核科学技术研究状况。周总理全神贯注地听完后，提出了有关问题。最后告诉钱三强和李四光，回去好好准备，明天毛主席和中央其他领导要听取这方面情况，可以带些铀矿和简单的仪器，做现场演示。
第二天，钱三强和李四光来到中南海的一间会议室，里面已经坐着许多熟悉的领导人，有毛主席、刘少奇、周恩来、朱德、陈云、邓小平、彭德怀等。这是一次专门研究发展我国原子能的中共中央书记处扩大会议。
会议开始了，毛主席开宗明义：“今天，我们做小学生，就原子能问题，请你们来上课。”
李四光先讲了铀矿资源以及与原子能的关系。钱三强汇报了几个主要国家原子能发展的概况和我国这几年做的工作，并做了演示。大家看着实验，会场十分活跃。主席点上了一支烟，开始做总结：我们的国家，现在已经知道有铀矿，进一步勘探，一定会找到更多的铀矿来。我们也训练了一些人，科学研究也有了一定基础，创造了一定条件。过去几年，其他事情很多，还来不及抓这件事。这件事总是要抓的，现在到时候了，该抓了。只要排上日程，认真抓一下，一定可以搞起来。
会后，大家用饭，毛主席举着酒杯站起来大声说：为我国原子能事业的发展，大家共同干杯。
拿出自己的原子弹
1959年6月26日苏共中央来信，拒绝提供原子弹的有关资料及教学模型。8月23日，苏联又单方面终止了两国签定的新技术协定，撤走了全部专家，还讽刺：“中国人20年也搞不出原子弹，只能守着一堆废钢铁。”
讽刺变成了动力，愤怒化作力量。中国科技工作者没有被吓倒。“自己动手，从头做起，准备用8年时间，拿出自己的原子弹”成了中国人民的誓言。钱三强作为原子核物理专家，和无数科学工作者一样，在困难面前没有低头，组织起数万名科学工作者及技术工人，向研制第一颗原子弹进军。
在苏联专家撤走后，周光召在国外召集数十名海外专家、学子，联名请求回国参战。他们归国后先后参与主持了理论的研究与实验研究工作。
为了研究一种扩散分离膜，由钱三强领导成立了攻关小组，经过4年的努力研究成功，成为继美、苏、法之后第4个能制造扩散分离膜的国家。同时成功地研制了我国第一台大型通用计算机，成功地承担了第一颗原子弹内爆分析和计算工作。
在原子弹的整个研制过程中，浸透了钱三强的智慧与心血。他不仅为原子弹的研制做出了贡献，也为我国原子能科学事业的发展呕心沥血，为培养我国原子能科技队伍立下了不朽的功勋。
1964年10月16日，我国西部上空一朵蘑菇云升起——我国第一颗原子弹爆炸成功了。
中国人民终于造出了自己的原子弹。