由于成绩优异，表现突出，毕业后，她成功获得了燕京大学罕见的金钥匙奖，并成功留任学校。在科研求学的过程中，她愈发坚定了献身科学的信念。与此同时，她还遇到了与自己相伴一生的伴侣——张文裕。
张文裕是燕京大学的教授，与王承书同样有着为科学献身的
信仰，两人彼此吸引，很快便走在一起，结为了一对眷侣。
1941年，美国密歇根大学建立的巴尔博奖学金看中了王承书的杰出才能，破例接受了来自中国的已婚妇女的申请。而王承书之所以选择去美国深造，就是为了进入到更前沿的物理学研究领域，好将更加先进的物理科学带回祖国，以改变中国科研领域的落后局面。
于是，王承书便与张文裕远渡重洋来到美国，在美期间，王承书刻苦攻读，在稀有气体领域作出了十分瞩目的成就。她的导师乌伦贝克，称赞她是“不可多得的物理天才”，她的学术造诣更使她被称为“中国的居里夫人”。
很快，她的才华就引起了美国普林斯顿高级研究所的关注。在普林斯顿的邀约下，王承书进入其中从事研究工作。但是，在美国科研领域已经占有一席之地的她，却始终没有忘记自己的报国梦。
1949年，中华人民共和国成立，一心想报效祖国的王承书，与钱学森等许多华人科学家一样，申请回国却遭到了美国的拦截。
然而，王承书对于美国的威逼利诱，却始终都不为所动，还不懈努力地处处寻找回国机会。终于在1956年初，王承书夫妇才成功回到祖国的怀抱。
一回国，作为高科技人才的王承书，就被编入国防研究领域。为了研究原子弹，1958年，中国原子弹研究所筹建
的热核聚变研究室成立，王承书在钱三强的邀请下，加入了热核聚变这个完全陌生且空白的领域。
国家需要什么，她就做什么。带着这份坚定的信念，王承书带领同事前往苏联学习了整整三个月的热核聚变知识。仅用两年时间，王承书就成了中国热核聚变专业的领军人物。但是没过多久，中苏关系恶化，苏联撤回了所有协助中国原子弹研究事业的专家和设备资料，使得中国的原子弹研究事业一度陷入停滞。其中，受影响最深的当属高浓缩铀的提取工程。高浓缩铀是原子弹发射的燃料，也是原子弹是否能够成功的关键性因素，无奈之下，钱三强再次找到王承书，并征求她的意见，询问她是否愿意接任这份工作，到绝密的504厂隐姓埋名做研究，并且从亲人朋友的视野之中完全消失。本来钱三强见她事业家庭正盛，心中没有抱太大期望，不曾想王承书却没有任何犹豫地回答道：“我愿意。”
就这样，王承书忽然就“失踪”了，她“舍家弃子”来到科研条件十分艰苦的504高浓缩铀工厂，整日与枯燥的数据机器为伴，一待就是整整30年。在此期间，她经过反复的实验论证，最终成功分离提取出合格的高浓缩铀，使得中国原子弹的研究取得了突破性进展。
1964年10月16日，中国第一颗原子弹爆炸成功，震惊世界
。看着罗布泊上腾空而起的蘑菇云，王承书热泪盈眶。
不过，第一颗原子弹只是“两弹一星”的第一步，为了实现祖国科研事业的进一步飞跃，王承书选择继续留在工作岗位，隐姓埋名地献身于新中国的科研事业。
30年后，她的秘密科研工作才算完成。出来之后，她便当选为中国科学院学部委员，还被称为“中国第一女物理科学家”。自此，王承书终于实现了她儿时的梦想——成为像居里夫人那样伟大的女科学家。
王承书隐姓埋名消失30年，丈夫也不知道她在哪儿，只为国人能挺起脊梁。