1946年9月，受原燕京大学化学系主任窦维廉的推荐，严东生院士获得留美奖学金赴美留学。他从上海乘“梅格将军”号船直航旧金山，12天后到达美国，赴美国纽约大学攻读化学系研究生。后转入美国伊利诺伊大学，从事无机材料研究，并攻读博士学位。他以全A的成绩取得博士学位，并同时获得四枚金钥匙奖 。

严东生一直以来都有“矢志科学，许身报国”的心愿，1949年新中国成立后，正在美国做博士后研究的严东生院士欣喜若狂，迫不及待想要回到祖国，投身于祖国的科研建设中。当时严东生正在协助其导师完成一个科研项目，结束后会有一笔丰厚的酬金。但是矢志报国的严东生毫不犹豫的放弃了美国先进的科研条件和薪酬待遇，毅然决然的踏上艰难的回国之路。

作为不可多得的材料学人才，再加上中美的政治因素，可以想象，严东生的回国之路并不顺利，美国移民局对严东生的回国多有阻挠。好不容易办好回国手续，取道香港再北上天津。然而，由于西方国家对新中国的封锁，香港方面也不愿意让严东生回国。直到爱国人士、时任香港大学心理学教师曹日昌替他作担保，严先生才得以回国。就这样，历经40多天的周折，严东生终于回到了祖国的怀抱。

回国后的严东生全心投入到祖国的建设中。他带领团队精心“打造”了很多种现代先进材料，如碳/石英复合材料、多种新型陶瓷基复合材料等，成功应用于航空航天和重大国防工程等行业中。