之后，他将工作重点转到自守函数论、矩阵几何学、多复变函数论与典型群论方面，其研究成果震惊了世界，成为纯粹数学若干分支的世界领袖人物之一。
1946年2月至5月，应苏联数学界邀请，华罗庚赴苏访问3个月。回国后他顶着国民党当局的限制，在昆明作报告，向青年介绍他访苏三月的收获。
1946年，美国普林斯顿高等研究所及普林斯顿大学分别邀请华罗庚任普林斯顿高等研究所研究员和普林斯顿大学教授。当时的政府试图提高中国的科技水平，还想制造原子弹，于是派华罗庚等科学家赴美学习和考察。9月，华罗庚赴美国，先在普林斯顿高等研究所作数论研究，在普林斯顿大学讲学，1948年开始，他被伊利诺伊大学聘为终身教授。
1948年，华罗庚的夫人带着孩子到美国与华罗庚团聚，并一起居住在美国。华罗庚在美国享受着优厚待遇，工作条件优越，有洋房、有汽车，生活富足惬意。当时，不少人认为华罗庚一家肯定是定居美国了。
然而，华罗庚从来也没有忘记过自己的祖国。1948年圣诞节前夕，美利坚沉浸在节日的欢乐之中。旅美的中国籍教授也借机欢聚，庆祝1949年元旦的来临。在联欢会上，华罗庚激动地说：“诸位，我们都曾怀才不遇才远渡重洋到此发展，并未打算久留他乡。如今国内形势已与从前大不相同，日益讲民主、求科学，我情愿回国和同胞一起，迎战困难，建设祖国！”他慷慨激昂的肺腑之言表明了海外游子的赤子之心，赢得全场喝彩和响应。
1949年10月，华罗庚从报纸上看到了新中国成立的消息后无比兴奋，当时就决定携妻带子回国，为建设祖国贡献自己的力量。然而，他身处敌视新中国的美国，国民党派在美国的特务也处处阻挠知名学者返回大陆，处境如此险恶，要返回祖国绝不是一件容易的事，略有闪失，后果不堪设想。华罗庚深知自己的处境，为了不让美方注意他，华罗庚照常去授课，但只要一回到家，他就抓紧时间为回国做准备。华罗庚克服了种种困难，于1950年初，以赴英讲学为名，举家踏上了回国的旅途，1950年2月到达香港。华罗庚在香港发表了一封充满爱国激情的《致中国全体留美学生的公开信》，向留美学生呼吁：“朋友们，梁园虽好，非久居之乡。
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