回到祖国之后，王天眷由于是物理研究出身，因此综合我国当时在激光领域欠发展的原因，他投入到了微波受激发射理论的研究与实验之中，而该项理论是光受激发射理论的先导，而光受激发射理论将直接导出激光理论的研究与应用。之后在60年代，综合考虑中国国防事业和现代化建设的需要，他积极投入原子钟事业的研究。根据自己在哥伦比亚的学习和研究，他率先在中国开展氨分子钟的研究工作，不久他带领团队完成了氢激射项目，为中国的时间频率计量事业作出突出贡献。之后他又完成了铷原子激射器、铷原子钟、波谱学研究等为中国国防发挥重要作用的成果。为了表彰他在频率校正标准方面的突出贡献，于1985年获得国家科技进步一等奖、国防科委一等奖。