他的名字是和中国的核反应堆、原子弹、氢弹、核潜艇和基础物理写在一起的——二机部第九研究院副院长、中国科学院理论物理所所长、中国科学院院士、爱尔兰皇家科学院院士，国家自然科学奖一等奖、国家科技进步奖特等奖、何梁何利基金科学与技术成就奖、“两弹一星功勋奖章”获得者。
“回国是不需要理由的，不回国才需要理由。”这是彭桓武掷地有声的理由，当年他已在英国学术界有了极高的声誉与地位，但还是义无反顾地回国。1947年彭桓武代表云南大学前往比利时参加“大学教授会议”，之后，绕道法国巴黎看望同是清华大学物理系的同学、日后被誉为“中国原子弹的元勋”钱三强、何泽慧夫妇。两人在1939年相识，并从此开始了长达半个世纪的友谊。那时候，美国已经在日本投了原子弹，彭桓武与钱三强心照不宣地相约：回祖国大干一场！“等到国家荣辱摆在你身上，那个动力比原来就大得多了”，这让我们读懂了“爱国”两个字。
1949年，彭桓武回到北京，暂住在清华大学的老师叶企荪家，与先期到达这里的钱三强重逢。此后，两人共同筹建中国科学院近代物理研究所，发展原子能事业。彭桓武在中子物理、辐射流体力学、凝聚态物理、爆轰物理等多个学科领域取得了重要成果，对分子结构提出过新的处理方法，在量子多体问题研究中提出了自洽场的推广理论，并为中国核事业培养了一批优秀人才。
“2月12日，去世前一天。他发着烧，身体非常虚弱。大家叫他不要下床，但他还想撑着自己上厕所。我知道他特别不愿意麻烦人，这之后大约两小时他突然消化道出血不止。第二天上午我陪在他身边，眼看他停止呼吸和心跳，我看到他流出了眼泪。这是他病后第一次也是唯一的一次流泪。”
但一直以来，他却把自己隐藏在普通的人群之中。永远都只是认为“两弹一星我只是在那儿玩了一玩，从来没有当过第一把手的那种感觉，主要的组织是钱三强，实际受苦受难比较多的大概是王淦昌”。这就是“谦虚”的真正含义吧。
学无止境。从小喜欢学习、思考问题的彭桓武，只有半年高中学历，通过自学考入清华大学。在清华大学，彭桓武严格遵循着主修物理、选修化学、旁听数学的学习计划，生活紧张而有序。清华6年，他和王竹溪、林家翘、杨振宁被称为“清华四杰”。但清华生活由于日寇的入侵被迫中断。60年后，80多岁的彭桓武写了一篇论文，当做自己的毕业论文，还清华大学周培源导师的债。被同事们称为半个化学家的彭桓武，57岁时开始学习令许多数学家都望而生畏的拓扑学。82岁时他买了电脑，学会操作后第一件事是把他几十年创作的百余首旧体诗词输入其中，以备日后出《彭桓武诗集》之用。记者曾经两次去过彭桓武先生家，他的客厅和每个房间都是书柜书架，书桌上摆满了外文书和演算稿纸。学习是他永远的主旋律。
彭桓武生活上非常节俭，吃穿住行处处低标准。而在得到“何梁何利基金科学与技术成就奖”巨额奖金后，马上想到那些在原子弹、氢弹事业中作出过贡献的人们。1996年11月，他用自己1995年获得何梁何利基金科学与技术成就奖的100万港币奖金设立“彭桓武纪念赠款”：把3万元赠给了当年的合作者、因伤早退的黄毅英，纪念她当年的几次学术报告。
桃李不言，下自成蹊。彭桓武的治学和为人之道影响了一代理论物理学家：周光召、黄祖洽。他们都说彭桓武的为师之道特别——把学生当朋友，每次汇报工作时，总是一起散步吃饭，社会上的、科学上的事情，什么都聊，纵观全局、了解世界发展。