受当时国内实验条件落后的限制，他回国后并未能充分发挥实验物理这方面的特长，。于是，吴有训在无法进行实验工作的情况下，利用清华比较丰富的文献情报资源，努力开展理论性质的研究工作。
1930年10月，吴有训在英国的《自然》杂志上发表了他回国后的第一项研究成果，这是中国物理学家立足于国内，最早在国际权威科学刊物上发表的论文之一。以此为起点，吴有训在几年当中，对X射线经单原子气体、双原子气体和晶体散射的强度、温度对散射的影响和散射系数等问题进行了一系列的理论探索，取得了重要的研究成果。
鉴于他在这些工作中的杰出贡献，被德国哈莱(Halle)自然科学研究院推举为院士，并向他颁发了荣誉证书。1948年，吴有训以他出色的科学成就当选为中央研究院院士。
科学与教育的组织领导1934年，吴有训任清华大学物理系主任，1937年任清华大学理学院院长，从此之后一直到1945年，吴有训在清华(及西南联大)与叶企孙先生及其他科学前辈一起，团结协作，推行了一整套卓有成效的教育原则和办学方针，使清华大学物理系和理学院在三十年代迅速成长为全国科学教育和学术研究的中心之一，培养出大批科学精英人才，对中国现代科学的发展产生了意义深远的影响，也为清华大学跻身于世界名牌大学之林，做出了重要的贡献。
在长期担任教育领导角色的过程中，吴有训逐步形成了自己一套独特的教育原则和工作方法：
第一，坚持民主办学的方针，尊重和注意发挥全体教职工的主体性。他在清华大学物理系时，凡遇比较重大的问题，一律由全体教授共同商议决定，从不独断专行。
第二，坚持重质不重量的原则，即在招收和选拔学生方面坚持宁缺毋滥。
这个原则让在抗日战争之前的近十年时间里，从清华物理系毕业的学生总共不过五十余人，但大部分人后来都成为中国物理学各领域研究中的栋梁之材，如核物理学家王淦昌、钱三强，光学专家王大珩、龚祖同，固体物理学家陆学善、葛庭燧，力学专家林家翘、钱伟长，理论物理学家王竹溪、彭桓武，地球物理学家赵九章，电子学家陈芳允，海洋物理学家赫崇本等。
第三，坚持教师不脱离科学研究的原则，强调教师必须边教书边搞研究。他指出：“大学聘请教师，不但要问所习的专门学科，且须顾及已发表的研究工作及其价值。”
第四，重视对外科学交流。吴有训虽然倡导学术独立，但他决不自我封闭，相反，他极力促进科学的交流。1935年7月，现代量子力学的奠基人之一、诺贝尔物理学奖获得者、英国剑桥大学的著名物理学家狄拉克应
