1931年，赵忠尧学成回国后到清华大学担任物理系教授。是时，叶企孙从理学院调任清华大学校务委员会主任，吴有训接任理学院院长，赵忠尧曾经一度接任物理系主任。当时清华大学物理系还有萨本栋、周培源等多位教授。这个时期，为办好物理系，大家在极为简陋的条件下，齐心协力地进行教学和科研。
赵忠尧开设了我国首个核物理课程，主持建立了我国第一个核物理实验室。当时中国的核物理研究还是一片空白，但他却在极为简陋的条件下进行了一系列研究工作。他和物理系的同事一起，用盖革计数器进行伽马射线、人工放射性和中子物理的研究，研究结果有的发表在《中国物理学报》上，也有一些发表在英国的《自然》杂志上--如《硬伽马射线与原子核的相互作用》，以及《Ag、Rh、Br核的中子共振能级的间距》等。著名物理学家E.卢瑟福在前一篇论文前加了按语，说这一实验结果提供了正-负电子对产生的又一证据，并对赵忠尧回国后能自己动手创造条件，继续进行科学研究大加赞赏。1937年，抗日战争爆发，赵忠尧先后到云南大学、西南联大和中央大学任教，在那种难以想像的艰苦条件下，他除了教学工作之外,还和张文裕用盖革-密勒计数器做了一些宇宙线方面的研究工作，由于在当时的条件下不可能完成这些实验，他便将实验方案写成文章在国外发表......赵忠尧与他的老师叶企孙一起，培养了一批后来为我国的原子能事业做出重要贡献的人才：王淦昌、彭桓武、钱三强、邓稼先、朱光亚、周光召、程开甲、唐孝威......诺贝尔物理奖得主杨振宁和李政道也都曾经受业于赵忠尧。
这里要补充交待几句赵忠尧与叶企孙的关系。可以说，没有叶企孙，就没有赵忠尧。赵忠尧是叶企孙的得意弟子。他1920年入南京高等师范学校数理化部就读时，南京高师正要扩建为东南大学。1924年春，赵忠尧提前半年修完了高师的学分,因父亲去世，家境困难，他决定先就业，同时争取进修的机会。当时东南大学物理系正好缺少助教，学校根据赵忠尧的成绩，同意他担任叶企孙的助教。就这样，赵忠尧一面教书，一面和在校生一起听课、考试，第二年便补足了高师与大学本科的学分差额，取得了东南大学的毕业资格。1925年夏，叶企孙受邀去清华,邀赵忠尧和另一助教施汝为一同前往。叶企孙为人严肃庄重，教书极为认真，对赵忠尧的教学和科研都有很深的影响。在清华，赵忠尧第一年仍担任叶企孙的助教。第二年起任课程教员，负责实验课，与其他教师一起为清华的物理实验室制备仪器。当时国内大学的理科水平与西方相比有不少差距，赵忠尧和学生们一起学习德文、法文，将眼光紧紧盯着西方发达国家同类研究的进程。赵忠尧感到，要为祖国的科学事业做出贡献，就必须到西方去掌握第一手的物理学专业知识。当时，清华的教师每六年有一次公费出国进修一年的机会，但赵忠尧不想等这么久，他靠自筹经费于1927年去美国留学，除了工资结余及师友的帮助外，赵忠尧还申请到了清华大学的国外生活半费补助金--每月40美元。出国前，为了恪尽孝心，赵忠尧完成了婚姻大事，与郑毓英女士成婚，然后把新婚妻子送回到诸暨老家，陪伴照顾他七十多岁的老母亲。
获奖后，赵忠尧当即决定将"何梁何利奖"的奖金全部捐赠出来,设立"赵忠尧奖基金"，以奖励清华大学、中国科技大学、东南大学、北京大学和云南大学物理系的优秀学生，激励他们为祖国的繁荣富强勤奋学习。