1927年6月，巴黎大学举行了论文答辩，严济慈成为第一个获得法国国家科学博士学位的中国人。由于当时“获得高等职务的任命只限于法国人”这一规定，严济慈未能获得高等职务任命。
1927年9月1日，中华新闻学会欢宴留欧学生回国，前排右二为严济慈，前排右四为徐悲鸿。“中科院形象资源建设”研究团队供图
他却没有任何遗憾，因为他来法国的目的也仅仅是为了学习最先进的知识，如今目的已经达到，他归心似箭。在回去的船上，遇到了同行的徐悲鸿，两人相谈甚欢，徐悲鸿为他画了一张素描小像，并用法语写下了“科学之光”的赞誉。
“科学之光”，既包含了严济慈的字“慕光”，又预示了严济慈先生未来将为中国科学界带来光明，引领一代学子走上科学之路。
“在闹市还能做学问的人，才能成为真正的科学家”
回国一年间，严济慈在四所大学当教授。当时月薪880块大洋，仅一年，他就还清了所有的债务。
1929年，严济慈携夫人张宗英再次赴法，一方面是因为当时时局很不稳定；一方面，严济慈认为在20年代末期，中国的科学研究还没有开头。中国最有发展的是地质，但那时地质主要是调查工作，生物学多是采集标本。第二次出去，是要使自己更充实，使科学在中国的土地上生根。
他说这次是代替儿子出去的，“科学在中国的土地上生了根，到了我的儿子这一辈，中国科学水平提高了，他们就用不着出国。”
严济慈和人张宗英。“中科院形象资源建设”研究团队供图
那一年的11月，船停泊于苏伊士港口时，他在信中再陈心志：“居吾辈情形，吾辈研究科学，科学在中国没有根，未能独立，更无先人可为吾辈之准则。虽科学为国际的，但我总愿于国际外做中国的科学事业。”
两度赴法，两次回国，严济慈始终恪守爱国主义情怀。
“遥想前途当以居里夫人为楷模。”这是严济慈在赴法时给爱人信中的话。1930年10月，回到祖国后，他把视野投向科学深处。
当时的北平文人气息浓厚，严济慈便回到北平，担任北平研究院物理研究所所长，后来他写信从居里夫人那里要到一些含镭的盐样品和放射氯化铅，又筹建起放射学实验室和镭学研究所。他和几名年轻人泡在东皇城根那方小天地里做研究——如同他留学巴黎时那般。
胡适曾在饭桌上感慨，“慕光，你真不容易，在巴黎那个花花世界里你还能做学问。”
严济慈答，“也只有在巴黎闹市里还能做学问的人，才能成为真正的科学家。”
对于每天做学问，严济慈乐在其中。
他曾写道，“怎么会有人觉得科学枯燥无味呢？还有什么东西能比支配宇宙的自然规律更引人入胜呢？自然规律的和谐和真实，使小说显得多么空虚，神话显得多么缺乏想象力啊！”
正因为这种潜心钻研，成就了他科学生涯的黄金时代。在1927年至1938年的12年间，他的名字和53篇科学论文一起被刊登在法、英、美、德等国重要学术刊物上，被中外学者引用。
“科学在中国的土地上生了根”
1938年初，时局混乱，日本对华展开疯狂的进攻，严济慈表明他要“和四万万同胞共赴国难” “和千千万万中国的读书人一起，为神圣的抗战奉献我们的绵薄之力”……此番言论被媒体报道后，他北平的家门口来了日本宪兵蹲守，他还未来得及见上一面的女儿被毒杀。
随后，遭到日本特务监视的严济慈，决定将物理所主要人员和设备从北平撤退至昆明。当时的昆明也并不安宁。日本的轰炸机像吃人的秃鹫一般，三天两头在头顶盘桓，时不时扔下一串串炸弹。严济慈把从北平迁来的物理所安顿在一座破庙里，“完全转向战时工作”，待敌机一走，大家就又回到所里继续磨镜头、镜片。
彼时借住在严家的程葵珠记得，严济慈“常常摸黑或深更半夜才回家，有时回家又陷入苦苦的思索之中，人也明显地消瘦下去”。后来她才知道，他正在物理所研究应用光学，研制抗日急需的军用仪器，“他说一个人再有才智，如果没有强大的国家，是无法让科学为民族、为正义服务的。”
严先生手下有一支科学的生力军，这也是抗击侵略者的一把利剑。当时大西南几条运输线路都被炮火封锁，前线部队迫切需要望远镜、测距镜等仪器。作为研究光学的专家严济慈一一应承下来。不久，500架1500倍的显微镜送到了前线医疗阵地和科研机构，1000多具水品振荡器安装在无线电发报机上，300多套五角测距镜和望远镜送到了战场上……
