Năm 1934, ông về nước. Từ năm 1935 đến năm 1942, ông dạy học ở Trường
Providence, Huế. Ngay từ Cách mạng tháng Tám năm 1945, Tạ Quang Bửu đã đi theo
Đảng, đi theo Bác Hồ, với một tấm lòng thuỷ chung, trong sáng, đóng góp tài năng cho
cuộc chiến đấu chống ngoại xâm, giành độc lập, tự do cho Tổ quốc, xây dựng và phát
triển nền giáo dục và khoa học Việt Nam. Tạ Quang Bửu có một khát vọng hiểu biết
mãnh liệt và bền bỉ suốt đời, một phương pháp trau dồi học vấn thiết thực: Học dể hiểu
biết, để tiếp thu những kiến thức khoa học hiện đại nhất của thời đại nhằm giúp ích
cho Tổ quốc, cho nhân dân. Ông không quá coi trọng và lệ thuộc vào bằng cấp, học vị.
Nắm vững toán học và phương pháp luận biện chứng, am hiểu những vấn để cơ bản ở
trình độ cao của vật lý, cơ học, sinh học, một số ngành kỹ thuật, công nghệ, của khoa
học tổ chức, quản lý, chính trị, quân sự, lịch sử; sử dụng thành thạo tiếng Anh, tiếng
Pháp, tham khảo tốt các tài liệu khoa học bằng tiếng Đức, tiếng Nga, tiếng Ba Lan...,
tài năng đa dạng của ông toả sáng đúng lúc đất nước cần, và đất nước cũng đã trân
trọng sử dụng tối ưu tài năng và nhiệt huyết của ông.
Cách mạng tháng Tám năm 1945 thành công, Ông tham gia cách mạng và đã
được Đảng, Chính phủ và Chủ tịch Hồ Chí Minh tin dùng và giao nhiều trọng trách về
ngoại giao và quốc phòng. Ông đã từng đảm nhiệm các chức vụ và công việc quan
trọng như:
Về ngoại giao
Tham nghị trưởng Bộ Ngoại giao dưới sự chỉ đạo trực tiếp của Bác Hồ; là thành
viên của những hội nghị Việt - Pháp quan trọng tại Đà Lạt (1946), đàm phán ở
Fontainebleau (1946). Năm 1954, thay mặt Chính phủ ta ký Hiệp nghị Genève lập lại
hoà bình ở Đông Dương.
Lĩnh vực quốc phòng
Từ tháng 8/1947 đến tháng 8/1948, ông là Bộ trưởng Bộ Quốc phòng, Uỷ viên
Hội đồng Tối cao quốc phòng, Uỷ viên Quân ủy viên hội. 13 năm liên tục ông là Thứ
trưởng Bộ Quốc phòng phụ trách hậu cần và kỹ thuật.
Lĩnh vực khoa học công nghệ
Từ năm 1959 đến 1965, ông làm Phó Chủ nhiệm kiêm Tổng thư ký Uỷ ban
Khoa học Nhà nước.
Trong lĩnh vực giáo dục đào tạo
Từ năm 1956 đến 1961, là Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Từ
năm 1965 đến 1976, ông là Bộ trưởng đầu tiên của Bộ Đại học và Trung học chuyên
nghiệp. Ở lĩnh vực nào ông cũng cố những đóng góp xuất sắc vừa có tầm chiến lược,
vừa rất cụ thể, thiết thực. Ở cương vị Bộ trưởng đầu tiên của Bộ Đại học và Trung học
chuyên nghiệp, Tạ Quang Bửu đã có những cống hiến mang ý nghĩa nền tảng cho sự
phát triển của nền giáo dục đại học Việt Nam trên tất cả các mặt nâng cao dân trí, đào
tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài.
Ông còn là đại biểu Quốc hội liên tục từ khóa I đến khóa VI, Phó Chủ tịch Uỷ
ban Bảo vệ hòa bình thế giới của Việt Nam, Phó Chủ tịch Hội Hữu nghị Việt - Xô.
Do tuổi cao sức yếu, Giáo sư Tạ Quang Bửu đã mất ngày 21 tháng 8 năm 1986,
hưởng thọ 76 tuổi.
Từ những công lao cống hiến của mình, Giáo sư được Nhà nước tặng thưởng:
Huân chương Độc lập hạng Nhất; Huân chương Kháng chiến hạng Nhất; Huân chương
Chiến thắng hạng Nhất; Huân chương Kháng chiến chống Mỹ cứu nước hạng Nhất;
Huân chương Chiến công hạng Nhất; Huân chương Chiến sĩ vẻ vang hạng Ba; Huy
chương Quân kỳ quyết thắng. Năm 1996, ông được Nhà nước truy tặng Giải thưởng
Hồ Chí Minh (đợt 1) về khoa học công nghệ với “Tập hợp các công trình giới thiệu