1938年，彭桓武远赴英国，师从量子力学奠基人之一玻恩。1943年，他提出了HHP理论，开始被国际物理学界知晓。1945年，他和玻恩共同获得爱丁堡皇家学会的奖项。

有人问他：你已经在欧洲有很高的声誉了，为什么还要回国？

他回答得很干脆："回国不需要理由，不回国才需要理由。学成而不回国报效国家，才需要说说为什么不回来。"

说起来容易，做起来难。1941年他想回国，太平洋战争爆发，水路中断。他想从大西洋绕道美国，但签证申请表上有很多侮辱弱国的条款，他拒绝填写："对不起，我不能签。"

1945年二战结束，他又想经西伯利亚回国，英苏关系恶化，再次作罢。1947年，他终于搭上一艘英国运兵船，回到中国。

43岁那年，他才结婚。妻子叫刘秉娴。他给妻子写了一封"个人缺点说明"：不擅家务，不解人情，不懂浪漫，不会做饭。妻子回信说："你在科学上的成就，已胜过许多世俗的衡量。"

1977年，妻子患肺癌去世。他把这一天的日历撕下来珍藏。追悼会结束当晚，他昏迷了七天七夜。醒来后第一句话是："我追她去了，她让我回去。"

此后，妻子的骨灰一直放在他卧室里。他写了大量诗词怀念她："生前慢待因忙乱，去后勤思怎补偿。"晚年常一个人坐公交车去香山，那是夫妻俩携手同游的地方。

儿子彭征宇2001年患骨癌去世，他把妻子和儿子的骨灰各取一半，合并撒在颐和园。

2007年，彭桓武逝世。他留下遗嘱：两弹一星功勋金质奖章赠给军事博物馆，工资积蓄近50万捐给中科院理论物理研究所。