總理出面抗議 夫妻雙雙回國
1953年秋，何炳林得知中美將在日內瓦進行停戰談判，于是約集十幾位同學和朋友共同給周恩來總理寫了一封要求回國的聯名信，每人都莊嚴地用毛筆簽了名。這封信通過印度駐聯合國大使梅農轉往總理尼赫魯，最后轉交到周總理手中。
1954年，周恩來總理率中國代表團參加日內瓦會議。周總理就留學生問題向美國提出抗議，美方代表開始矢口否認扣留中國留學生一事，周總理取出何炳林等人寫給他的信作為證據，美方無言以對，不得不承認事實。1955年2月春，美國政府終于準許何炳林等人回國。回國前，何炳林用自己的積蓄買了一些回國后工作急需的儀器、書和制造離子交換樹脂的10公斤苯乙烯和5公斤二乙烯苯原料，裝進一只不引人注目的舊箱子里，這樣才得以順利過境。
1956年2月，何炳林夫婦回到了闊別十年之久的祖國。當他懷著激動的心情回到他的母校南開大學時，受到他的老師楊石先教授和其他老師、同學的熱烈歡迎。
主席總理心系南開 關注提鈾樹脂
何炳林在南開大學任教的最初那短短兩年多里，幾經艱辛，成功地合成出世界上當時已有的全部主要離子交換樹脂品種。1958年建立了高分子教研室，他任室主任；同時主持建成我國第一座專門生產離子交換樹脂的南開大學化工廠。該廠國家投資400萬巨資，所生產的苯乙烯型強堿201樹脂首先提供給國防工業部門，用于提取國家急需的核燃料-鈾，為我國原子能事業的誕生立下了汗馬功勞。1958年、1959年周總理先后兩次來到南開大學視察他的實驗室和離子交換樹脂車間，同他親切交談了近一個小時，詳細地聽取了他的介紹，對他的開拓奉獻精神和取得的杰出成就給予了高度的贊揚。1959年8月13日，毛主席親自來到南開大學，視察他領導建立的離子交換樹脂車間。主席和總理兩年間共三次來到南開大學視察何炳林的實驗室，因為這里的工作直接關系著中國第一顆原子彈爆炸的時間表的安排。領袖的關注，使何炳林的研發進程更加穩步推進。
1964年10月16日，當何炳林聽到中國第一顆原子彈爆炸成功的喜訊時，激動得熱淚盈眶，無比欣慰地對妻子說：“我們回來對了，報國的愿望終于實現了。”這一年，何炳林當選為第三屆全國人大代表。國防科工委于1989年向何炳林頒發了“獻身國防科學技術事業”獎章，表彰他為我國第一顆原子彈爆炸成功所做的貢獻。
1956—1960年期間，何炳林發明了多孔樹脂，這一發明導致了許多新型大孔離子交換樹脂和一類新型吸附分離材料-吸附樹脂的誕生。在應用研究方面，除研制的201樹脂用于核燃料鈾的提取，為我國第一顆原子彈的爆炸成功做出了貢獻外，D390樹脂用于鏈霉素的純化，使我國鏈霉素的生產達到了世界先進水平，并創造了上億元的經濟效益。至今已有60多種離子交換樹脂和吸附樹脂投入生產，并在許多領域獲得應用。