第二次世界大战前后，如何制造原子弹成为世界瞩目的课题，卢鹤绂对此也进行了研究。二次世界大战结束不久，他就在《美国物理月刊》上发表了“关于原子弹的物理学”一文，简要阐明了估算铀235临界质量的方法。这是世界上首次公开发表估算铀235原子弹及费米型链式裂变反应堆的临界体积的简易方法及其全部原理。这一文献已被世界上广泛引用。

 

　　新中国成立后，党和政府非常关心卢鹤绂的科研工作，当时他在浙江大学任教，学校尽可能地为他提供了有利的科研条件。他倾注全部精力于科学研究之中，不久便在流体动力学的研究上取得了重要的进展。1950年发表了“容变黏滞性之唯象理论”一文，提出了容变黏滞性理论，进而首次推出容变弛豫方程，并以此对经典流体动力学方程(纳威尔—斯托克斯方程)进行扩充，以容纳容变黏滞性。1951年在美国《声学会月刊》上发表的“从声现象研究体积黏滞性和压缩性”一文又扩展了原来的工作，把容变黏滞性理论从声学上的应用范围延伸到全部频率。同年发表的“容变黏滞性与声之速度与吸收”一文则进一步把理论从适用于一种分子的弛豫过程，推广到有多种弛豫过程同时存在的情况。同期杂志上还发表了他的“可压缩流体之散逸函数”一文，从他自己推广了的流体动力学基本方程导出包括容变黏滞性效应的流体耗散函数。这一系列论文的发表引起了国际学术界的重视，弛豫压缩基本方程被誉为“卢鹤绂不可逆性方程”。联邦德国的《物理学大全》和伯格曼的名著《超声学及其在科学技术上的应用》都引用了这一方程。

 

　　在此期间，他还继续了对原子核结构的研究。1950年在美国《物理评论》上发表了“关于核模型”一文，首次明确肯定核半径公式应改为R=1?23×10-13A1/3厘米。1952年夏，全国进行高等学校院系调整，卢鹤绂来到复旦大学。为了讲授“热力学”及“统计物理学”两门课，他自编教材，结果听课学生猛增，每班学生近百人。那时，卢鹤绂还自学了俄文，参加翻译了史包尔斯基著《原子物理学》一书，还同陈传璋合译出版米哈林著《积分方程及其应用》。1955年夏，卢鹤绂调到北京大学新办的物理研究室工作，为从全国各高校选调来的高才生讲课。1957年完成任务后重回复旦，被任命为原子核物理教研室主任，参与了原子能系的筹建，并积极参加了创建上海原子核研究所的工作，担任该所副所长兼一室主任。

 

　　60年代初，卢鹤绂对受控热核反应进行研究，提出了快脉冲、慢脉冲和稳态的三大分类法，并对其能否成功进行了深入讨论。主编了《受控热核反应》一书，总结了1960年以前国内外在此领域的理论研究及实践探索方面的成果，这是我国第一本有关热核反应的专著。1979年受美国斯瓦尔斯莫大学校长的邀请作为1979—1980年度康涅尔尊贵访问教授，又应巴丁教授及其他学者邀请去伊利诺大学等20多个大学和研究机构访问讲学，并获纽约科学院授予的1980—1981年度“活跃院士”称号。