1955年—1970年，林同骥偕同夫人张斌和尚未满月的女儿回国，投入了创建中国科学院力学研究所的工作，在中国科学院力学研究所工作，先后担任副研究员、研究员（1957年晋升）。

1958年，中国科学技术大学成立，林同骥亲自编写讲义并进行讲授。

1970年—1974年，担任第七机械工业部207所研究员，从事流体力学和弹性力学方面的研究。

1974年—1978年，担任第七机械工业部701所研究员、副所长。

1978年—1982年，担任中国科学院力学研究所副所长。

1980年，当选为中国科学院数理学部学部委员；同年林同骥撰写的《无粘跨声速流场分析》一文作为特邀报告，出席了第一届亚洲流体力学会议，并应邀赴美国康奈尔大学、洛杉矶加州大学和加州理工学院讲学。

1983年，在中国科学院数理学部全体委员会议上，他与钱学森、钱伟长、庄逢甘等专家一起，向国家提出了开发海洋的重大建议。

1993年7月29日，在美国逝世，终年75岁。

林同骥在弹性力学研究中获得了不同厚度和不同弯度的翼型截面柱体圣维南扭转和弯曲问题的精确解析解。在稀薄气体的研究方面，为在滑流领域利用皮托管测量总压提供了理论依据，并考察了Burnnet方程中高阶项的作用。主持设计建造了中国第一座暂冲式超声速风洞和气源系统。提出的端头热应力匹配问题和相应研究，为中国第一代洲际导弹弹头防热材料的选择和结构方案的确定提供了依据烧蚀图像的研究为中国洲际导弹的防热设计作出了贡献。设计建造了中国第一个U形振荡水槽，并开展了相应研究。

20世纪40年代中期，林同骥研究了翼型截面柱体的圣·维南扭转和弯曲问题。利用复变函数，给出双曲翼型内域的保角变换，构造了有效的周线积分，提出了翼型截面内奇点的消除方法，从而获得不同厚度和不同弯度的翼型截面柱体圣·维南扭转和弯曲问题的精确解析解。根据航空器薄壳结构和在高速飞行下产生高频振动现象，他研究了圆柱壳的轴对称型振动，提出并解决了高频振动下壳壁截面的转动惯量和横向剪切的双重效应影响问题。

林同骥研究了稀薄气体边界层内驻点附近的流动，发现壁面气流滑移效应与无滑移解的一阶导数成正比，从而得到了壁面气流滑移对驻点总压影响的理论解，并指出稀薄气体的作用是增大了粘性对总压的修正，为在滑流领域利用皮托管测量总压提供了理论依据。

林同骥还分别研究了稀薄气体在两个平板和两个同心圆柱间的高速流动问题。给出了高速流动下气体粘性系数和热传导系数随温度变化时的滑流流场解，分析了壁面温度比、流场平均马赫数、粘性系数、气体稀薄参数、普朗特数、比热比、供应系数和麦克斯威尔反射系数等8个参数对壁面压力、摩擦阻力和两壁间热传导的影响，为考察较纳维尔－斯托克斯方程高阶的Burnnet方程中高阶项作用的实验研究提供了理论依据。

20世纪50年代，林同骥主持设计建造了中国第一座暂冲式超声速风洞和气源系统。从设计、加工、建造直到调试、测量，他都一一参与实干。得到了第一个超声速流场，这一设备后来所提供的大量实验数据、方法与经验，为中国航空、航天以及兵器工业开创时期的设计与研制作出贡献。

20世纪60年代后期起，林同骥仔细分析了跨声速流动的物理特性，指出在相应的不可压缩流线和等势线的曲线坐标系内，流场中任意点上可压缩流动的流线与相应的不可压缩流动流线之间的夹角很小，因此可将高度非线性的无粘跨声速流动基本方程大大简化。基于这一思想，获得了无粘跨声速内外流动问题的一系列成果。

20世纪80年代起，林同骥组织并投入海洋工程力学的研究。以海洋油气资源开发为背景，他主持国家科委六五攻关项目“工程力学中若干重要问题研究”和七五国家自然科学基金重大项目“海洋工程中的力学问题”研究。研究了各种海洋工程结构及其地基在海浪、海流、海冰、地震、风等耦合作用的严峻环境下的载荷及其响应，分析了海洋工程结构失效直至破坏的原因和机理，为经济安全地设计建造海洋平台和有效地进行油气生产提供了科学依据，同时推进了海洋工程力学这一新兴力学分支学科的发展。

林同骥在主持重大科研项目的同时，主要从事以波浪和旋涡为主要特征的海洋工程流体力学研究。他主持设计、建造了中国第一座U型振荡水槽。采用抽吸式空气活塞激振以及对水槽弯段的精心设计，以较低的成本达到了很好的试验段流场品质。通过解析求解纳维尔－斯托克斯方程，林同骥给出了矩形截面直管中层流振荡流动的解，揭示了流动的速度分布随着振荡流动雷诺数的变化，由低频高粘性类型向高频低粘性边界层型演化的特性，以及管道的壁面和角部对振荡流动的影响。他领导课题组进行了不同Kc数下柱体振荡绕流的理论分析和实验，着重研究振荡流中粘性旋涡的形成、演变、相互作用、流动图谱转换等当前流体力学研究中极为关注的基本流动现象。

1980年，林同骥和周培源一起率领中国力学学会代表团，出席了在加拿大召开的第15届国际理论与应用力学大会（IUTAM），经过细致的外交往来，恢复了中国在联合国国际科学联合会组织中应有的地位。

1981年，林同骥和周培源一起，同日本、印度的力学家共同发起定期召开亚洲流体力学学术会议。此外，林同骥还积极组织了恢复中国航空学会以及支持成立空气动力研究会的活动。

20世纪50年代末60年代初，林同骥将高温气体的热力学性质、统计力学、气体动力学三者相结合，编写了《高超声速空气动力学》讲义，并亲赴中国科学技术大学讲授。该讲义没有公开出版，但却是一本较早的高速高温物理气体动力学专著。

林同骥在研究室里成立了研究生指导小组来培养学生。针对一些学生不愿做实验，认为做实验艰苦且不易在短期内出成果的思想，他谆谆告诫他们要注意从理论、计算和实验多方面培养从事科研的实际能力，不能光为“拿学位”而徒有虚名。

林同骥多次参加制订学科规划、确定重大科技项目等工作。20世纪70年代末80年代初，他就提出要开展分离与旋涡流动、两相流动、流动显示等方面的研究。林同骥深知基础研究对自然科学技术发展的长远意义，为使国家基础研究得到支持和发展，他参与建议国家设立自然科学基金制度。他作为国务院学位委员会理学学科评议组成员，参与学科设置、学位制度的建立健全等。

林同骥的祖父为清代进士。父亲林鼎章，早年中举，民国后攻读法律，是一位法官，曾任最高法院庭长。母亲操持家务，家境小康。父母重视对子女的教育。林同骥在11个兄弟姐妹中排行第七，年幼时兄姐们刻苦攻读的情景对他有着较深的影响，大哥林同济是30年代美国密西根大学毕业的博士，回国后在复旦大学研究莎士比亚文学。二哥林同炎（1911年—2003），祖籍福清市东瀚镇东瀚村，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士，世界建筑结构及桥梁建筑大师。堂兄林同骅（1911年—2007），祖籍福清市东瀚镇东瀚村，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士。

1954年，林同骥与在加利福尼亚大学伯克利分校获得化学博士学位之后前往布朗大学工作的张斌女士结婚。1955年7月，林同骥怀着爱国之情，偕同夫人张斌，怀抱尚未满月的女儿，远涉重洋，途径日本，毅然回国。

1966年，“文化大革命”开始不久，林同骥的夫人张斌以莫须有的罪名身陷囹圄达7年之久。当时他的3个子女还很小，在艰难的条件下，他承担了人造卫星回收方案的研究工作。不久，他也受到迫害，但他坚持研究射流理论、小曲率半径喷管跨声速理论研究等工作。

林同骥主持设计建造了中国第一座暂冲式超声速风洞，为中国航天事业和海洋工程的发展做出了贡献。此外，多次参加制定学科规划、确定重大科技项目、建立健全学位制度等工作，还积极组织国内外学术交流活动，为推动中国力学学科的发展奉献了毕生精力。（中国科学院老科技工作者协会工程力学分会评）

几十年来，尽管个人生活道路几经坎坷，林同骥始终一往情深，潜心科学研究，以实事求是、谦虚谨慎、严于律己、平易近人等高尚品德给所有与他交往过的人们留下了极为深刻的印象，成为后人的楷模。（《中国科学院力学研究所志》评）