回國后短短的幾年中，他在數學領域里的研究碩果累累：他的論文《典型域上的多元復變函數論》于１９５７年１月獲國家發明一等獎，并先后出版了中、俄、英文版專著；１９５７年出版《數論導引》；１９６３年他和學生萬哲先合寫的《典型群》一書出版……

華羅庚因病左腿殘疾后，走路要左腿先畫一個大圓圈，右腿再邁上一小步。對于這種奇特而費力的步履，他曾幽默地戲稱為“圓與切線的運動”。在逆境中，他頑強地與命運抗爭，他說“我要用健全的頭腦，代替不健全的雙腿”。憑著這種精神，他終于從一個只有初中畢業文憑的青年成長為一代數學大師。他一生碩果累累，是中國解析數論、典型群、矩陣幾何學、自導函數論等方面的研究者和創始人，其著作《堆壘素數論》更成為２０世紀數學論著的經典。

由于青年時代受到過“伯樂”的知遇之恩，華羅庚對于人才的培養格外重視，他發現和培養陳景潤的故事更是數學界的一段佳話。在他親自關心和過問下，陳景潤從廈門大學被調到中科院數學研究所，最終在攻克哥德巴赫猜想方面取得了世界領先的成績。此外，萬哲元、陸啟鏗、王元、潘承洞、段學復等人也是在華羅庚的悉心培育下成長起來的。

在從事數學理論研究的同時，華羅庚努力嘗試尋找一條數學和工農業實踐相結合的道路。經過一段實踐，他發現數學中的統籌法和優選法是在工農業生產中能夠比較普遍應用的方法，可以提高工作效率，改變工作管理面貌。于是，他一面在科技大學講課，一面帶領學生到工農業實踐中去推廣優選法、統籌法，為工農業生產服務。

晚年的華羅庚不顧年老體衰，仍然奔波在第一線。他還多次應邀赴歐美及香港地區講學，先后被法國南錫大學、美國伊利諾依大學、香港中文大學授予榮譽博士學位，還于１９８４年以全票當選為美國科學院外籍院士。