新中国成立后,梁思成、林徽因给吴良镛寄去了一封信。信中表达了对祖国重获新生的喜悦之情,希望他赶紧回来参加新中国的建设。“百废待兴”,这四个字让吴良镛迅速作出明确的抉择。1950年底,和那个时代许多充满赤子情怀的科学家、艺术家一样,吴良镛冲破重重阻挠,绕道归来,投身新中国的建设和教育事业。作为新中国建筑教育和建筑事业的开拓者之一,他于1951年开始主持清华建筑系市镇组工作,并与中国农业大学汪菊渊教授一道创办了我国第一个园林专业。1952年起,吴良镛历任建筑系副主任、主任,全面推动建筑技术科学、建筑历史与文物保护等学科的发展。
1959年,吴良镛倡导创办了清华大学建筑设计研究院。在此前后,他还主持全国建筑会议、制订共同教学计划,参与领导全国建筑学专业通用教材的建设,并主持《城乡规划》教学用书的编写。他是北京市都市计划委员会顾问和保定、北戴河、秦皇岛、邯郸等城市的规划建设顾问;人民英雄纪念碑、北京图书馆等著名建筑都凝聚了他的心血;1976年唐山大地震后,余震未消,他就作为最早一批专家参加重建规划。
旧中国民生凋敝的影像在一批批拔地而起的新建筑、一座座百废俱兴的新城市身后渐渐淡去,吴良镛的心头却萦绕着越来越深的困惑:20世纪40年代初,他抱着避免西方“城市病”的愿望开始学习城市规划,回国后也曾相信中国城市可以完全避免交通拥挤、住宅短缺、破坏自然等现象。然而,数十年间中国城乡变化虽巨,现实面貌却似乎和这一理想呈现出较大偏差。在曲折中,吴良镛蓄积力量、摸索前进,新的变革契机正在下个路口转弯处等待着他。