1950年秋，顾毓琇回到母校麻省理工学院担任客座正教授；1952年，他应聘美国宾夕法尼亚大学客座教授，两年后转为终身正教授。年近半百的顾毓琇抛却杂务，在美国一头埋进了对前沿学术的研究中。一代电机权威就此诞生。
他与维纳等人一起开创了控制论的新纪元，被国际学术界公认为非线性控制理论的先驱；他获得了美国电机及电子工程师学会（IEEE）颁发的金禧奖章和千禧奖章；他是IEEE的会员，还曾是国际理论及应用力学联合会（IUTAM）唯一的华人个人理事；他被多所学校聘为名誉教授，又被授予名誉学位，其间不乏常春藤联盟中的大学——他的教学生涯一直持续到70岁，这期间，他取得了非凡的学术成就，为自己博得了崇高的荣誉，也为世界科学的发展贡献了巨大的力量。而这一切的荣耀，他都是以一个中国人的身份而获得的。
直到1973年，71岁的顾毓琇才加入了美国国籍。
陈难先（曾任民进中央副主席）：他在这个之前没有拿美国国籍，他是为了回国才拿美国国籍的。
1972年，尼克松与周恩来两位巨人的握手，让中美关系步入了新阶段。此时，身在美国却心系华夏的顾毓琇终于按捺不住了。
第二年8月，顾毓琇与夫人王婉靖带着女儿顾慰民，搭乘英国海外航空公司的班机，辗转从美国费城转道伦敦、香港，返回大陆。他再次踏上了一别24年的故土。
8月29日晚上10点，在周培源夫妇及廖承志夫妇的陪同下，周恩来在人民大会堂接见了顾毓琇。
顾宜凡：我听祖父后来说，他们见面是这样的：周恩来一见面就说：“你不老嘛！”大家就好像是很熟的老朋友。确实也是老朋友，因为在抗战的时候，我祖父是教育部的政务次长，周恩来则是以共产党员的身份参加联合政府，担任军事委员会的政治部副主任，也是副部长级别。当时郭沫若是周恩来下面一个厅的厅长，他们（郭沫若与顾毓琇）在抗战的时候经常一起探讨教育的问题。
在接见的时候，周恩来说，“顾先生，你是‘客卿’啊”。——就是古代那种客卿，不依附于任何党派而加入政府的社会贤达，为政府做事的客卿——说“你是‘客卿’啊”。我奶奶看到周恩来说：“你的身体很好嘛。”周恩来其实那时候已经得癌症了，他说：“虚有此表，虚有此表。”
在顾毓琇的记忆里，这次“会见时气氛很随意，有人专职摄影，有茶，午夜时分还有点心招待。我们像老朋友那样倾谈，漫谈着双方都关心的种种话题”。他们谈到了蒋介石、陈立夫，还谈到了顾毓琇的表兄王昆仑。此时的王昆仑正因“文革”的冲击而被关在监狱里，听顾毓琇提到后，周恩来万分愧疚，说自己太忙，没来得及处理此事——后来，王昆仑在周恩来的保护下得以恢复自由，重新恢复工作，并当选为民革中央主席和全国政协副主席。
此是后话了。
在顾毓琇与周恩来会面的第二天，新华社发表文章，说：“周总理接见顾毓琇教授和夫人王婉靖，一行人进行了坦率的无拘束的谈话。”
顾慰庆：这“无拘束”三个字是周总理自己加上去的，他形容这次谈话为“无拘束”的谈话。我父亲后来看到那个报道，说这个“无拘束”用得真不错，真好。因为说到底，这还是一次私人的见面，不是官方的谈判，而是像老朋友一样地交谈。
再次回到大陆，顾毓琇也见到了三个24年未见的孩子。这三个让他日夜思念、牵挂的孩子，此时已步入中年，长女顾慰文任上海交通大学教授，长子顾慰连任沈阳农业学院院长，次子顾慰庆任西北电力建设局副局长。当他们在周恩来的引见下站在父亲面前时，顾毓琇备感惊讶——儿女们的身份和形象，已与他想象中的太不同了。
