作为在抗日战争爆发之际回到祖国怀抱的周培源，其爱国热情是高涨的。在西南联大任教时期，他抱着科学家应为反战服务，以科学拯救祖国危亡的志向，毅然转向流体力学方面的研究。并为此在当时交通不畅的情况下，在敌机狂轰滥炸的危境下，周培源第三度赴美进行此方面的研究。
作为我国唯一曾在爱因斯坦身边长期从事相对论研究的科学家周培源，主要以研究理论物理学为重点。早在周培源首次执清华大学教鞭后，曾利用一年的休假时间，赴美国普林斯顿高级研究院从事理论物理研究，参加了由爱因斯坦主持的广义相对论高级研讨班，成为“12个半懂得相对论的人”之一，并在科研和人格方面均受到爱因斯坦的深刻影响。
在讨论班，关于周培源和爱因斯坦的交往中有这样一个只问不答的“对话”：当对相对论颇有研究的周培源将埋藏在自己心中的疑虑连同自己的看法，滔滔不绝地向爱氏陈述出来时，爱氏只是默默地听着。问毕，爱因斯坦思考良久，始终未做出答复，这也成了周培源心中相当长时期内的一段空白。而为了给这片空白绘出些许色彩，周培源经过一番“穷经皓首”的上下求索后，于50岁后的上世纪70年代末才求得正解，而此年正好是爱因斯坦诞辰一百周年之际。
回国之后，周培源本来打算继续从事相对论的研究工作，但抗战的现实改变了他的初衷。
在回忆中，周培源曾对自己研究方向转变做过简单说明：“当时我认为相对论不能直接为反战服务。作为一个科学家，大敌当前，必须以科学挽救祖国，所以我选择了流体力学。”在他看来，流体力学远比理论物理中关于相对论的研究在军事中的作用更加直接。周培源的这一研究方向的转变似乎可以为五四时期对“赛先生”（Science：科学）救国的热情做注脚。
周培源对流体力学的研究是勤奋的，甚至到了无情的地步。周培源经常对他的女儿们说：“我并不聪明，但十分勤奋。中国有名俗话，以勤补拙，我就是这样做的。”在西南联大的时候，为了湍流研究（流体力学分支），周培源整日把自己关在书房中，为了全身心地投入研究而不受影响，他还与自己的好友陈岱孙、李继侗等约定好：你们来就来走就走，恕我不接待应酬。
就是在这种近乎不近人情的研究中，周培源发表了一篇关于湍流的论文，该论文建立了普通湍流理论，奠定了湍流模式理论的基础，周培源也因此被公认为湍流模式理论的奠基人。
1943年，为了争取参加美国组织的战时科学研究和更深入地开展湍流研究，打败日本法西斯，报效祖国，周培源利用在西南联大的休假，再次前往美国。
随后，他应邀参加了美国战时科学研究与发展局鱼雷空投入水的科研项目，实现了以科学为反法西斯斗争服务的目的。二战结束后，美国政府力邀周培源留下继续从事军事科学研究，但周培源没有被美国的优厚待遇吸引，他想着身后千疮百孔的祖国，希望继续用自己的科学知识服务祖国，报效祖国。
作为优秀的科学家，周培源是美国政府想要极力笼络的对象，为了让他为美国服务，他们多次主动邀请他加入美国国籍，最终都被心系祖国的周培源拒绝。1943年，当周培源一家刚刚踏上美国的国土，美国移民局就发出正式邀请，答应给予周培源所有家人永久居留权，周培源对此一笑了之。二战结束后，为了挽留周培源留下继续参与军事科学研究，美国再次邀请他加入美国国籍，周培源明确向他们表示“不做美国公民”。
在西南联大到抗战结束这段时期，周培源始终坚持科学为抗战服务，科学为反法西斯斗争服务，这是他在科学上孜孜以求的现实目的，也是他不断前进的不竭动力，更是这位始终心系祖国的物理学家一颗赤子之心的真实写照。
