抱着学更多的本领以建设新中国之志，邓稼先于1947年通过了赴美研究生考试，于翌年秋进入美国印第安那州的普渡大学研究生院。

由于他学习成绩突出，不足两年便读满学分，并通过博士论文答辩。此时他只有26岁，人称"娃娃博士"。这位取得学位刚9天的"娃娃博士"毅然放弃了在美国优越的生活和工作条件，回到了一穷二白的祖国。

1950年8月，邓稼先在美国获得博士学位九天后，便谢绝了恩师和同校好友的挽留，毅然决定回国。同年10月，邓稼先来到中国科学院近代物理研究所任研究员。在北京外事部门的招待会上，有人问他带了什么回来。

他说："带了几双眼下中国还不能生产的尼龙袜子送给父亲，还带了一脑袋关于原子核的知识。" 此后的八年间，他进行了中国原子核理论的研究。1953年，他与许鹿希结婚，许鹿希是五.四运动重要学生领袖、是后来担任全国人大常委会副委员长的许德珩的长女。

1956年，邓稼先加入了中国共产党。