1958年5月，刘广均由苏联特别班毕业，回到清华大学工程物理系，同年任同位素分离教研室主任，和余兴坤，梁猷能等共同筹建了中国大学中唯一的一个铀同位素分离专业。刘广均和教研室的同志们一起夜以继日地工作，在短短的几年内，为国家输送了好几批毕业生，这些毕业生后来几乎都成为中国同位素分离事业的技术骨干。1960年夏天，苏联中断了对中国核工业的援助，中国依靠自己的力量，发展了铀同位素分离事业。党中央决定从全国各条战线抽调力量加强核工业。1963年1月，上级领导决定调刘广均到二机部，参加中国核工业建设工作。刘广均感到，能到自已多年从事的铀同位素分离的第一线去，在实际工作中为国家作贡献是非常有意义的，就愉快地接受了组织的调动。
1963年2月，刘广均到二机部报到后，于3月到铀浓缩工厂任副总工艺师兼中央实验室主任。那时正是工厂开始成批机组启动的时候，工厂的建设进入了决战阶段。刘广均到厂后，一方面学习工厂设计和工艺流程，一方面投身于获取合格产品的研究工作。当时，中国铀浓缩工厂采用的是气体扩散法。气体扩散法的分离原理是在分子间相互碰撞可以忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的分子平均热运动速度反比于其质量的平方根，235UF6和238UF6两种气体质量不同，从而热运动速度不同而得到分离。但是，由于两种分子质量相差不多，一次浓缩后235UF6的丰度只能增加很少一点，这就需要把很多机器串联起来，一次一次重复地浓缩，这就是“级联”。在实际工厂中，级联是一个巨大复杂的整体，有人说它像一个生物群体一样，生物体的各部分都互相影响。当时面临的一个重要问题就是能否在运行的级联中取得合格的产品。刘广均作为副总工艺师，分工负责级联的理论计算工作和级联运行状态的物理分析工作，他和大家一起，为了取得合格产品，认真仔细地分析数据，研究方案，采取措施，度过了一段不分昼夜、埋头苦干的激动人心的日子。
1982年8月组织上调刘广均到核工业理化工程研究院任总工程师，负责新型分离机器的研制工作。在学校的工作经验和在工厂工作的锻炼，对他在研究院的工作有很大帮助，他和大家一起，不断地推动研制工作。1989年4月至12月，他曾到美国罗彻斯特大学任客座教授。回国后他继续在理化工程研究院负责研究工作，担任研究员级高级工程师和高级顾问。1991年当选为中国科学院院士（学部委员）。他是第八届、第九届全国政协委员，天津市第五届科协副主席，国防科工委第一届专家咨询委员会委员，中国核学会第一届至第五届理事，《核科学与工程》编委。铀同位素分离学会第一届、第二届副理事长，第三届理事长。中国科学院技术科学部第九届常委，第十届副主任。从1987年起任清华大学工程物理系兼职教授，博士生导师。多年来，他编写过同位素分离和扩散级联水力学教材，作为主审审定了4本专业教材，先后培养博士、硕士研究生30余名。