Do là người am hiểu nhiều về các trí thức tại Pháp, suốt hai tháng liền, từ tháng 7 đến tháng 9-1946, được sống và đi thăm các điểm mà Bác Hồ đã hoạt động từ trước và thăm bà con Việt kiều, Phạm Quang Lễ đã báo với Bác về tất cả những điều mình biết về các vấn đề quân sự của Chiến tranh thế giới thứ II. Ngày 8-9-1946, Bác Hồ cho gọi Kỹ sư Nghĩa đến và cho biết là Hội nghị Phông-te-nơ-blô đã không thành công và Bác hỏi thẳng ông: "Bác về nước, chú chuẩn bị về với Bác. Hai ngày nữa ta lên đường".
Thế là từ quyết định của mình khi được Bác hỏi, kỹ sư Trần Ðại Nghĩa cùng đoàn tháp tùng rời cảng Tu-lông (Pháp) vào nửa đầu tháng 8-1946. Sau 40 ngày lênh đênh trên biển của chiến hạm Ðuy mông Ðuyếc-vin (Pháp), ngày 20-10-1946, Bác Hồ cùng các bác sĩ Trần Hữu Tước, kỹ sư Võ Quý Huân, kỹ sư Vũ Ðình Huỳnh và kỹ sư Phạm Quang Lễ về đến cảng Hải Phòng.
Sau này, ông nhớ mãi lớp chính trị mà Bác Hồ đã trực tiếp dạy cho các nhà khoa học cùng về nước trong 40 ngày trên tàu. Ðó là lớp chính trị đầu tiên, có hiệu quả rất lớn trong đời ông cũng như các bác sĩ, kỹ sư cùng về. Sự tác động các bài giảng của Bác đối với các trí thức những ngày đó, là sự cảm hóa tuyệt vời mà ông và ba nhà khoa học được nghe giảng những điều cần thiết cho trí thức xa quê hương lâu ngày để khi về nước tham gia kháng chiến.
Sau khi về nước, ông được Ðại tướng Võ Nguyên Giáp tiếp đón và bố trí vào làm việc ngay về nghiên cứu các lĩnh vực vũ khí cho quốc gia. Một tuần sau, Bộ Quốc phòng đã cử ông lên ngay Thái Nguyên nghiên cứu các loại súng do bộ đội ta thu được. Sau chuyến đi này, ông đã sáng chế rất nhanh súng DKZ không giật, đạn chống xe tăng theo mẫu Ba-dô-ca lấy từ mẫu đạn trong kho vũ khí của quân đội Nhật để lại. Công việc đang tiến hành thì thực dân Pháp bắn phá TP Hải Phòng, Bộ Quốc phòng lại cho gọi ông về Hà Nội. Và ngày 5-12-1946 - đúng hai tuần trước khi kháng chiến toàn quốc bùng nổ - tại Phủ Chủ tịch, Bác Hồ đã trực tiếp giao kỹ sư Phạm Quang Lễ làm Cục trưởng Cục Quân giới và chính Người đã đặt tên mới cho ông là Trần Ðại Nghĩa. Theo Người đặt tên mới này là để giữ bí mật cho ông, cho gia đình và bà con ông còn ở trong nam.
Kháng chiến lan ra toàn quốc, ông đã gấp rút đưa phòng nghiên cứu của mình lên chiến khu nghiên cứu chế tạo các loại vũ khí trong điều kiện thiếu thốn mọi bề. Một phát kiến mới của ông là sau khi nghiên cứu, thấy tại khu rừng căn cứ địa Việt Bắc, có nhiều phân dơi, và Trần Ðại Nghĩa đã chỉ đạo lấy diêm tiêu phân dơi để tận dụng làm thuốc súng. Ông cũng chỉ đạo lấy đường ray xe lửa loại cũ luyện thép làm nòng súng cối 50,8 ly, rồi lấy bình
ô-xy làm nòng súng cối 205 ly,... Sau nhiều lần thất bại, từ sự sáng tạo, kiên trì, Trần Ðại Nghĩa đã chế tạo thành công súng Ba-dô-ca không giật trên cơ sở phải thiết kế lại toàn bộ quả đạn phù hợp điều kiện chiến trường Việt Nam. Súng Ba-dô-ca do quân đội ta chế tạo không chỉ chống xe tăng, xe bọc thép, mà còn có tác dụng đánh cả tàu chiến chạy gần bờ, hoặc dập tắt hỏa lực hay bắn tan cả đội hình kẻ địch tập trung quân đông. Nhờ những phát kiến quan trọng về kỹ thuật quân sự mà ngay từ đầu cuộc kháng chiến, quân đội ta đã kịp thời chống trả chín tuần liền trong sự tiến công đầy các loại súng đạn, vũ khí của thực dân Pháp ngay tại Thủ đô Hà Nội, khi toàn quốc kháng chiến bắt đầu.
Thế là từ một trí thức, được Bác Hồ kêu gọi về nước phục vụ, kỹ sư Trần Ðại Nghĩa trở thành người đảng viên trung kiên, tận tụy với khoa học, chế tạo vũ khí cho cuộc kháng chiến đầy gian khổ, hy sinh mà trong tình thế Nhà nước ta vừa mới thành lập, vô vàn khó khăn thiếu thốn. Kỹ sư Trần Ðại Nghĩa đã có nhiều sáng chế rất quan trọng cho Quân đội nhân dân Việt Nam Anh hùng trong hai cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp và đế quốc Mỹ xâm lược. Sau này, khi là Giáo sư và Nhà nước Liên Xô (trước đây) phong hàm Viện sĩ, ông được Ðảng, Nhà nước cử làm Chủ nhiệm Ủy ban Xây dựng cơ bản nhà nước và Ủy ban Khoa học kỹ thuật nhà nước, Viện trưởng Viện Khoa học Việt Nam, đồng thời là Chủ tịch các Hội liên hiệp khoa học kỹ thuật Việt Nam, Viện sĩ Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô và CHDC Ðức (cũ). Trên cương vị nào, Giáo sư cũng để lại những tình cảm tốt đẹp, thân tình đối với các nhà khoa học, các nhà quân sự của đất nước, cũng như lớp lớp trí thức của hai miền.
Từ một học sinh nghèo vào trường PéterutKý (nay là Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong), mồ côi cha từ nhỏ, mẹ một mình nuôi ăn học thành tài, sau ngày về hưu tại TP Hồ Chí Minh, nhiều lần về thăm quê tại huyện Tam Bình (Vĩnh Long), ông vẫn nhắc mãi kỷ niệm về người mẹ tần tảo sớm khuya nuôi hai chị em ăn học. Rồi khi mẹ mất, do nghèo không có tiền về để chịu tang mẹ mà cho đến cuối đời, ông vẫn hối tiếc về việc này. Cũng vì gia cảnh nghèo, chị Hai của ông phải nghỉ học để nhường cho em được tiếp tục cắp sách lên tỉnh lỵ Vĩnh Long, rồi lên Sài Gòn học.
Giáo sư Trần Ðại Nghĩa qua đời năm 1997 tại TP Hồ Chí Minh, để lại nhiều công trình khoa học có giá trị lớn cho đất nước. Ðảng, Nhà nước ta đã tặng thưởng giáo sư nhiều danh hiệu cao quý như: Danh hiệu Anh hùng Lao động (năm 1952); Giải thưởng Hồ Chí Minh đợt đầu năm 1996. Ngày nay, tên ông đã được đặt cho một ngôi trường chuyên đầu đàn ở TP Hồ Chí Minh và giải thưởng học sinh nghèo hiếu học hằng năm của tỉnh Vĩnh Long - quê hương ông. Tháng 8-2007, Ủy ban Nhân dân TP Hà Nội đã quyết định lấy tên ông đặt cho một con đường mới tại Thủ đô; Ủy ban Nhân dân TP Hồ Chí Minh đã đặt tên ông cho một đại lộ tại quận Tân Bình. Nhiều giải thưởng khoa học trong nước đã mang tên Giáo sư, Viện sĩ Trần Ðại Nghĩa, để luôn nhớ về một nhà khoa học hàng đầu có nhiều công lao đóng góp to lớn trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc.
