1937年5月，严济慈启程第三次赴法国，此行他有四项任务：一是出席法国物理学会理事会，二是参加法布里教授的退休庆祝会，三是作为李石曾的助手参加国际文化合作会议，四是将钱三强引荐到巴黎大学居里实验室深造。

严济慈到巴黎一个星期后，震惊中外的“七七卢沟桥事变”爆发。不久，南京沦陷的消息传来，朋友们劝告他留下，把家眷接到法国。但严济慈认为：“国家处在生死存亡的关头，作为一个中国人，怎能袖手旁观。我虽然不一定能够拿起刀枪，但我有自己的岗位，可以用自己的知识为国家、为抗战效力。”

1938年初，严济慈动身回国。途径里昂时，他接受《里昂进步报》记者的采访，发表对中国抗战形势的看法。他说：“中国是绝不会灭亡的。中国人民的抗战是正义的事业，不管战争要持续多久，情况多么险恶，最后的胜利必将属于中国人民。作为我个人来说，我将和四万万同胞共赴国难。我虽一介书生，不能到前方出力，但我要和千千万万中国的读书人一起，为神圣的抗战奉献绵薄之力。”

严济慈的抗日言行引起日本侵略者的注意，给他和尚在北平的家人带来了危险。他临时决定不在上海而是香港上岸，经越南到达昆明。经过考察，严济慈决定将北研院物理所迁到昆明远郊的黑龙潭。

从北平到昆明，南北纵横几千里，途中不时有日寇的飞机轰炸。在国家存亡的危难时刻，严济慈带领物理所全体人员以为抗战服务为重，全力从事军需用品的研制和与国计民生相关的应用物理研究工作。在黑龙潭的破庙和简易平房里，严济慈亲自动手研磨镜头，测量焦距，装配检验。在他的领导下，物理所生产了1000多具无线电发报机稳定波频用的石英振荡器、300多套步兵用的五角测距镜和望远镜、500台1400倍显微镜、200架水平经纬仪、50套缩微胶片放大器等，供前线抗战和后方医疗、科研教学使用。这是中国自己制造的第一批光学仪器，为抗日战争做出了重要贡献。

1943年11月，因为发明磨制晶体新方法对国防科学颇有贡献，严济慈获得中央文化运动委员会颁发的奖状。1946年夏，因在抗战期间的卓越贡献，国民政府授予严济慈抗战胜利三等景星勋章。