梅贻琦“奉召返台”，创办“清华”原子科学研究院，其实他之所以首先创办“清华”研究院，并非一时性起，而是经过长期考虑、考察的结果。
战后科学界已经认识到原子能不仅可以制造骇人听闻的原子弹，把广岛、长崎瞬间从地球上抹掉，还可能转变为极其丰富的电能造福于人类。
1954年，美国国会通过一项法案，推广原子能和平用途，赠送世界各民主国家与地区原子炉一具，价值美金70万元，美政府负担半数，另半数以及运费由接受国家支付。
一直支持台湾的美国把捐赠原子炉和技术，作为原子能和平用途推广计划的一部分，欲与台湾当局合作，赠送原子炉一具。在这种科学发展趋势下，于战争创伤与灾难中复苏的台湾，急需发展电力以恢复经济，因而梅贻琦与“教育部长”张其昀多次磋商，终于拟出一个各方皆能体谅的“复校”方针，即为：先恢复“清华大学”研究院，开始先以治原子科学为主，即在台设立原子能研究所。以此为依托，逐渐扩大成由三五个研究所组成的研究院，最后恢复“清华大学部”，成为一所建制完全、教学与研究一流的“大大学”。
这一计划得到了台湾高层的认可和批准，接下来就是选址、购地、建设校舍。台湾岛内许多县、市头目闻讯，认为这个突然从天而降的金娃娃应该搂在自己怀中，不能让它溜到别人的地盘乱蹦狂跳。于是，他们纷纷想方设法找梅贻琦游说，促使这一计划在自己管理的一亩三分地生根发芽。
一时间，舆论纷纷，群情瞩目，官僚政客怀揣不同目的找上门来施展勾缠之术，搞得梅贻琦难以招架。最后，经过反复勘察、思虑，与政学两界人士多次协商，梅贻琦将“复校”地址选在了新竹。因为此地距台北市80千米，交通、便利，且地势开阔，农田住户较少，便于日后开发。
一切准备就绪，1956年1月，由梅贻琦主持，新竹赤土畸“清华”第一批校舍动工兴建。同年7月，“清华”原子科学研究所第一班研究生招考完毕，共有15名男女生被录取。
当时“科教兴国”理念与口号在台湾刚刚成为时尚，且被“朝野”同奉为圭臬，但真正对科学教育深入了解并有所远谋者并不多见，台湾学界与民众对梅贻琦搞的原子科学，更是知之甚少且多有疑惑。
在一次聚会上，一位号称博学多能的老先生，听到众人在谈“清华”的原子炉与原子能，恍然若有所悟地道：“袁子能？是不是清代诗人袁子才的弟弟了。”有人说：“不是的，老先生，这是讲核子的。”“什么字？”“木字边一个亥时的亥字。”老先生肯定地道：“那就对了，袁子才，名叫袁枚，枚亦是木字旁，更证明是弟兄们了。”对方驳斥道：“老先生，核子是一种很巨大的力量。”老先生瞪大眼睛自信地道：“是啊！袁子才作过一本书叫《子不语》，不就是讲怪力乱神的吗？”
据说此故事是梅贻琦参加某宴会所亲见并对清华校友们讲的，其中或许有幽默的成分，但从另一个侧面，也透出梅贻琦内心的孤独与悲凉。
鉴于诸方面客观因素限制，在“清华”第一届研究生上课之后，专任校务者只有三人，即校长梅贻琦；秘书兼教务、总务、训育等事宜的赵赓飏，以及助教沈君山，后来又增加一位管理仪器的采购主任卞学钤。教学方面，没有一位专任教授，梅贻琦商请台大校长钱思亮，代约物理化学系教授戴运轨、潘贯、李博为等三位兼任“清华”研究所教授兼研究员，以加倍钟点费计酬，并补助两系设备费各美金一万元。数学则聘台师大教授李新民博士兼任。
当时台湾仍处在战争的阴影与风雨飘摇之中，人心不定，“复校”与招聘学界有名望的教授困难重重，其情形如赵赓飏[yáng]所言：“以在美的少数清华教授言，习理工而有资望者，自1949年游离无定所，逐渐得专任地位，而生活甫经安定，且多惊愕于美国学界的设备与研究成绩，对台湾设校似无大信心。而国内教授待遇与设备落后甚多，某在美任教的我国教授曾感叹道‘将教授薪金至少须与空中小姐相侔’，可见一斑。梅公细数凡在理化电机研究方面有成就者，皆已生活安定，亦有渐谋迎聚大陆逃出之亲眷者。”
在此种情形下，因“清华”原子科学研究所所长问题未决，致使“清华”与台大方面的联系对接不畅，合作颇有不洽，加之“清华”没有一位专职教授，研究生对授课情形不满，直至发生全体研究生拒绝第二期注册的“学潮”。幸赖各方斡旋与梅贻琦以民族大义等苦心劝勉，取得诸生谅解，课业才归于正常。自此风波之后，梅贻琦下决心不惜一切代价，聘请一流教授为诸生授课。然而，要请到高水准的教授专家又谈何容易？
梅贻琦的求贤之路可以说荆棘丛生，令人伤感。因为人是重于物的，这个“物”不只是薪水的高低多寡，更在于社会环境、人文状况，以及校内可供学者研究的图书、仪器设备等储量。
当时梅贻琦在新竹复校中的“清华”可谓一无所有，或者说只有一片荒山野岭，这就令以事业为职志的学者不能不再三斟酌。更重要的是，韩战之后，台海局势复又紧张起来，作为战争的亲历者与历史大动**中的过来人，历经千辛万苦，好不容易依靠平生所学，在美国、加拿大得到了相对固定职位，此时正是潜心学术实现抱负之时，无论从自身利益还是事业长远考虑，都不太愿意到一个笼罩在炮火之下的孤岛另谋“高就”。海峡对岸“解放台湾”的喊声响彻云天，一旦台岛解放，又将如何自处？——这一切，都是问题的症结所在。因而，赵赓飏不无感慨地说，以梅校长之资望，平生接触海内外硕儒之广泛，清华联大有成就师生之众多，两年间直接访求与间接介绍者不下20位，竟未聘得专任教授一人，实在令人至堪扼腕。
唯一值得欣慰的是，经过梅贻琦的不懈努力，最终还是成功聘请了袁家骝吴大猷、邓昌黎3位世界知名大师来台短期讲学。而经过这三位物理学大师不同场合的演讲、释疑，“袁子能”逐渐摆脱了著名诗人袁子才弟弟的徽号，“范大哥拉夫”也逐渐被范氏加速器和原子炉的学名所替代。三位大师对“清华”初期研究生之嘉惠，对梅贻琦精神和事实上的助力，甚至于台湾民众新兴科学思维、眼界之开拓，皆产生了重要的、划时代的影响。
转眼到了1957年，这一年夏秋，新竹“清华”首批校舍、办公楼、教授住宅、职员、学生宿舍完工并投入使用，秋季开始在新校舍开课。梅贻琦正式礼聘陈可忠为教务长，并招考第二届研究生。本届招生共录取23人，报到注册者17人，全部迁往新竹新校舍住校上课。
自此，在梅贻琦于台湾和美国美来回奔波、努力下，世界一流科学家如刘易、冯彦雄、钱家骐、徐贤修等海外华人学者，与一大批外籍学者如小谷正雄、河野宗治、李德曼、布来德等著名人士，相继前往新竹“清华”任教或短期讲学。
据新竹“清华大学”校方统计，自1956年到1968年，“清华”原子科学研究所延聘100余位来自欧美或日本各国的客座教授与兼任教师，这些欧美华侨学者或外籍学人前往新竹“清华”，竭尽所能，把才学与经验传授给年轻的门生弟子，并与之建立了深厚情谊。
除聘请上述一流科学家前来授课，基本学科如物理、化学、数学等高级课程，仍需专任教师连续授课并指导研究，早期自台大聘请的戴运轨等教授，一如既往地为诸生授业解惑，使学生的学业不断向前推进。为提高诸生英语读写能力，新竹校舍投入使用后，梅贻琦仍亲自操刀上阵，以英文《读者文摘》授课。
这一幕，事过30多年仍为当时的学生所忆起：“春天的傍晚，靠近光复路一幢两层建筑的楼下，一间小教室里，十几个大孩子，正在静静的聆听一位身着长衫、面容清癯的长者，语声铿锵的讲授英文。——这是三十年前梅校长利用课余时间，为我们补习英文的情景，却留给我一片深刻而清晰的印象。”
除此之外，梅贻琦还积极利用台湾当局考选原子能训练，以及联合国国际原子能总署的进修机会，热心推荐选派有学术前途的青年才俊，到欧美如阿冈等一流科学实验室进修。几年之后，派送学生相继学成归台，并充实到“清华”原子科学研究所教师队伍之中，如杨毓东、曾德霖、钱积澎、郑振华、戈宝树等皆成“清华大学”教师队伍的中坚，而叶锡溶则为“清华”原子科学所第一位获得博士学位的专任教师，后出任原子科学院院长，桃李满天下，其丰富的研究成果被誉为“台湾放射化学之父”。
在第二届研究生入学之前，校内物理馆及加速器实验室已开始全面兴建，校园初具规模。在隆隆的机器声中，望着来回穿梭的车辆人马和四面开花式的建筑工地，师生皆感振奋。
据说有一天，梅贻琦在工地突询建筑师与身边人员未来校园建筑计划，梅贻琦于喜悦中透出一股宝刀不老的英雄气概，他目视前方，以手比画说，将来要在成功湖旁盖一座500人居住的研究生宿舍。豪气之盛，气魄之大，目光之远，把身边的建筑师等人都吓了一跳。
当时在校的研究生区区不足20人，与500人是何等的距离？身边人闻听此言都不敢置信，想不到后来竟得验证。
梅贻琦的丰功伟绩，或许如新竹“清华大学”特聘教授潘钦所言：“没有梅校长就没有原科所，没有原科所就没有清华大学，因为原科所的诞生，实为日后清华大学的开发经营奠定了办学的楷模。”