Mặc dù trở thành thiếu tướng đầu tiên của ngành quân giới Việt Nam ở tuổi 35 nhưng con đường binh nghiệp của ông sau đó đã khép lại với những nhiệm vụ mới: hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Chủ nhiệm Ủy ban Kiến thiết Cơ bản Nhà nước, Chủ nhiệm Ủy ban KH&KT Nhà nước (nay là Bộ KH&CN), Bộ trưởng, Viện trưởng Viện Khoa học Việt Nam (nay là Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), Chủ tịch Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam. Con trai ông, đại tá Trần Dũng Trí từng kể lại, “khi miền Nam được hoàn toàn giải phóng, đất nước thống nhất, ba tôi rất vui và xúc động ghi vào sổ tay ‘Nhiệm vụ của Bác Hồ giao cho tôi và tập thể các nhà khoa học Việt Nam là tham gia về mặt vũ khí và khoa học quân sự trong hai cuộc kháng chiến đã hoàn thành’”.
Tình yêu thuần khiết với khoa học của giáo sư Trần Đại Nghĩa từ đây đã gắn liền với việc góp phần đặt nền móng cho khoa học Việt Nam hiện đại và dựng xây đất nước. Trong ký ức của những người từng chứng kiến ông làm việc tại Viện Khoa học Việt Nam, ông là một người rất giỏi tập hợp đội ngũ. Các cán bộ của Viện lúc đó từ mọi miền của tổ quốc, trong đó nhiều người cũng được học từ nước ngoài trở về, đều ngưỡng mộ con người khoa học và phẩm chất con người bình dị của ông.
“Làm việc với giáo sư Nghĩa, tôi còn học được ở người thủ trưởng một tấm gương về đạo đức, cái tâm trong sáng và lối sống hết sức bình dân. Tôi cảm thấy mình sung sướng thật, được gần một thủ trưởng vừa có tri thức uyên bác, một nhân cách lớn, vừa có tấm lòng nhân ái giản dị”. Ông Trần Thành Đức, thư ký riêng của giáo sư Trần Đại Nghĩa
Năm 1979, Viện Khoa học Việt Nam được chính phủ giao một nhiệm vụ rất đặc biệt là tham gia Interkosmos, chương trình hợp tác quốc tế về sử dụng không gian vũ trụ vì mục đích hòa bình của khối các quốc gia XHCN do Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô chủ trì. Từ năm 1978 đến 1988, một trong những nhiệm vụ của Interkosmos là đưa các phi hành gia không phải người Liên Xô lên không gian bằng tàu Soyuz. Theo các thước phim tài liệu, giáo sư Trần Đại Nghĩa, khi đó đã đảm trách vai trò chủ tịch Ủy ban nghiên cứu vũ trụ Việt Nam đã cùng giáo sư Nguyễn Văn Hiệu trực tiếp nghiên cứu và xây dựng chương trình cho chuyến bay vào vũ trụ của hai nhà du hành vũ trụ Phạm Tuân và Viktor Vasilyevich Gorbatko. Giờ đây, với mái tóc điểm bạc, thiếu tướng Phạm Tuân nhớ lại “Tôi nghĩ, với vai trò là viện trưởng và với niềm tin được đặt vào giáo sư như thế, ông đã quy tụ được đội ngũ nhà khoa học giỏi, dành mọi quyết tâm, ý chí, trí tuệ để thực hiện thành công chương trình đó”.Gần ba thập niên sau khi giáo sư Trần Đại Nghĩa qua đời, cuộc đời ông vẫn khiến thế hệ sau phải ngưỡng mộ và tự hào. Các trường học, cuộc thi, giải thưởng mang tên ông như sự trân trọng những giá trị mà ông đóng góp, bằng lý tưởng cách mạng và tình yêu khoa học.
