1943年至1949年，在美国普林斯顿大学巴尔摩实验室任研究教授。

1949年至1956年，任普渡大学教授。

1956年起，在中国科学院原子能研究所任研究员、宇宙线研究室主任、副所长等职。同年，他应邀访问了欧洲核子研究中心。

1958年起，在中国科技大学兼任教授。

1959年至1964年，他被派往苏联杜布纳联合核子研究所工作，曾担任中国组组长，并领导一个联合研究组的研究工作。

1972年，他随中国科学家代表团出访英国、瑞典、加拿大和美国。

1973年他曾率领中国高能物理代表团出访美国、西欧。

1973年至1984年，任中国科学院高能物理研究所所长。

1978至1984年，兼任中国科学技术大学近代物理系主任。

1984年起，改任中国科学院高能物理研究所名誉所长。

1992年11月5日，张文裕因病在北京逝世。

张文裕主要从事核物理和宇宙线等方面的实验研究并取得突出成就。验证了N.玻尔的液滴模型。发明了多丝火花计数器。20世纪40年代后期进一步研究确定子和原子核没有强作用，并在子吸收的研究中确证了子的存在，从而开拓了奇异原子物理研究领域。在超子与核子散射研究、北京正负电子对撞机建造的奠基性工作、筹建高山宇宙线实验站等方面作出了重要贡献。

张文裕毕生献身于科学研究和中国的高能物理事业。在放射性同位素、宇宙线大气簇射和奇异原子研究以及多丝火花计数器的发明方面做出开创性的贡献。尤其在μ子吸收的研究中确证了μ原子的存在，从而开拓了奇异原子物理研究领域。

1943年秋，张文裕接到美国普林斯顿大学的邀请，再次远涉重洋到美国，在普林斯顿大学专门从事核物理研究和教学，继续致力探索微观物质世界的奥秘。1947年，张文裕在美国普林斯顿大学Palmer实验室根据铅、铁和铝箔停止μ子的实验，证明μ子被核俘获后在定态轨道跃迁，同时发射1—5MeV低能光子。实验表明μ子可以在一定条件下取代核外电子而在轨道上绕核旋转，从而以实验发现了μ子系弱作用粒子和μ原子，国际上称之为“张原子”和“张辐射”。

1956年回中国后，他推动云南落雪山宇宙线实验站的扩建，与肖健共同领导建造了当时世界上最大的云室组，做出了高水平的物理工作，培养了一代宇宙线研究者。20世纪60年代初，张文裕在苏联杜布纳联合核子所利用加速器进行高能物理实验，他把当时已知的重子共振态归纳成核子和超子的激发态，提出了一个重子能级跃迁图，并在Λ0超子和核子散射研究方面做出了贡献。

1972年，以他为首的18位科学家写信给周恩来总理，建议建造高能加速器，开展高能物理研究。1981年，张文裕亲自主持了高能物理研究基地建设调整方案的论证。他征求和听取了中国国内外高能物理学家的意见，在确定建造北京正负电子对撞机以及对撞机的物理目标和能区选择上起了关键作用。

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在西南联大，张文裕开设核物理课程，名称是“天然放射性和原子核物理”。当时的中国大学能开出这样课程的人可谓凤毛麟角，因此特别吸引人。上这门课的研究生和助教包括杨振宁、唐敖庆、李政道等。

1957年当选为中国科学院学部委员。

张文裕是中国物理学会1932年创立时的首批会员，曾任副理事长。1956年起至八十年代中期曾担任《中国科学》《科学通报》的副主编、主编。他还曾任中国核学会副理事长，中国高能物理学会第一任理事长。他也曾担任第一、二届中美高能物理合作联合委员会中方主席。张文裕是第二至第六届全国人民代表大会代表，第四、五、六届全国人大常委。

1910年1月9日，出生在福建省惠安县一个沿海山村的贫苦农民家庭，家中只有几亩薄田和一家中药店。兄弟姐妹八人几乎无人识字。由于祖父的宠爱和亲朋老师的关照，排行老四的张文裕唯一幸运地被送去读书。先在村旁的私塾念了两年，以后又上了四年小学。小学毕业后，他考上了泉州培元中学。但因兄、姐相继夭折，父亲要他回家干活帮助养家。在小学老师和亲友的劝说和资助下，才勉强同意他继续上学。靠着学校的奖学金和张文裕自己教小学及其他劳动所得，念了三年半中学。中学尚未毕业，由于反抗家庭的包办婚姻，张文裕带着培元中学校长许锡安的推荐信，只身来到北京燕京大学。在谢玉铭教授的帮助下，经过补考，张文裕被破格录取，进入燕京大学物理系学习。

张文裕与夫人王承书都是闻名于世的物理学家，均为中科院院士，但在他们的家中没有一件高档家具。冰箱是40立升的，洗衣机是白兰牌第一代单缸产品。他们视书如命，但除了拥有3个普通书柜之外，更多的书只能挤在4个拉了布帘的小书架上。张文裕弥留之际，向夫人王承书一再嘱托：不为儿孙留任何遗产，将一生积蓄全部捐给“希望工程”：10万元在西藏建一所希望小学——“文裕小学”，3万元给泉州母校培元中学，剩余部分全部交党费。

在瑞典斯德哥尔摩的诺贝尔奖颁奖典礼上，李政道和杨振宁意外地发现了祝贺的人群中有自己在西南联大物理系的老师张文裕教授。原来，张文裕教授是受周恩来总理的委派，代表新中国专程前来向他们表示祝贺的。那时候，李政道和杨振宁还没有加入美国籍（他们是60年代入籍的），他们的护照还是由当年的中国政府签发的。所以严格来说，“1957年美籍华裔科学家李政道、杨振宁获得诺贝尔物理学奖”并不很确切，“美籍华裔科学家”应该改为“旅美中国科学家”。

张文裕是中国宇宙线及高能物理研究的奠基人之一，他一贯重视理论与实验相结合，为发展中国的高能物理事业呕心沥血，直至生病期间还坐着轮椅到对撞机工地了解工程的进展。（中国科学院高能物理研究所 评）

张文裕为中国高能物理的研究和发展，为中国成功研制原子弹、氢弹核武器立下不朽的功勋。（泉州晚报 评 ）

张文裕的母校泉州培元中学将图书楼命名为“张文裕科学实验楼”，由中科院资深科学家严济慈教授题字。