1941年，王承书争取到了美国巴尔博奖学金，进入美国密歇根大学学习深造，师从国际物理学权威乌伦贝克，共同开展气体输运理论研究。他们导出了被称为“王承书—乌伦贝克方程”的多原子分子动力学方程，一经发布便轰动世界物理学界，至今仍被沿用。乌伦贝克多次称赞她是“了不起的人才”。

按照美国法律规定，连续在美国居住5年，就可以申请加入美国国籍，赴美留学15年，王承书始终不愿意加入美国国籍。

1949年，新中国成立的消息传到了王承书耳中。她按捺不住激动的心情，与丈夫共同希望即刻启程回国，然而遭到了美国的重重阻拦，未能如愿。

1955年，中美达成协议后，王承书和丈夫立即提出回国申请，为了避免阻碍，她把有关书刊和资料装进300多份邮包先寄回了北京，直到1956年，她才回到了祖国怀抱。

为什么一定要回国？王承书说：“不是我不爱美国的优厚生活，而是我更爱自己的祖国。”

回国后，王承书在笔记中写下：“1956年10月6日是我难忘的一天，虽然那时没意识到这将是我真正有意义生活开始的日子，在离别了15年的祖国国境上，第一次看到五星红旗在空中飘扬，心里说不出的兴奋。我要为国家作贡献，国家需要什么，我就干什么。”