1954年，加入美国国籍。

1972年—1973年，任法国萨克瑞核研究中心和瑞士日内瓦欧洲核子研究中心访问教授。

1979年，从布鲁克海文国家实验室退休，后任苏联雪普霍夫高能物理研究所访问教授。

1982年，任法国巴黎大学访问教授。

1983年，任中国台湾同步辐射研究中心指导委员会主席。

2003年2月11日，在北京协和医院逝世，享年91岁。

袁家骝的研究工作涉及高能物理、高能加速器和粒子探测系统、宇宙线、无线电定向探测、调频雷达系统等。在普林斯顿大学工作时，他用自动跟踪设备和分析系统探测分析宇宙线，对其中中子成分的起源作了研究，第一个证明了中子不是来自宇宙空间，而是产生于大气层内的次级粒子。1949年他参加建造3GeV高能质子加速器（称为宇宙加速器）的工程，负责设计并建成了国际上第一个特殊高频系统（要求在1秒内频率增加13倍），1953年这台加速器运转成功后，他用π-p散射第一个证明了π介子和质子有共振现象。他还研究了K-p和p-p等散射过程，测量了这些过程的截面及其能量的关系。1967年起，他利用高能质子、介子和电子作实验，证实了在X射线区域内，任何粒子产生出来的穿越辐射X射线总能量同这粒子的能量成正比。他还对穿越辐射探测器作了多方面的研究和改进，利用超低温金属颗粒（过热超导颗粒，约15μm大小）能产生穿越辐射并兼作探测的性质，增强了这种探测器的实用性。

截至2017年4月，袁家骝先后著有《实验物理方法原子核物理》《物理的本性》《粒子物理研究与科学技术的交互作用》等著作，发表论文79篇。

1981年—2003年，袁家骝频繁往返于中国大陆和台湾省之间，全程参与了台湾第三代同步辐射加速器建设，参与了北京正负电子对撞机和合肥同步辐射加速器研制，并促成了南京大学等4所高校的学者赴中国台湾进行同步辐射加速器的研制与使用的学术交流与访问。

袁家骝的祖父袁世凯是清末军机大臣、北洋军阀首领，祖母是朝鲜国王李熙妃子之妹，父亲袁克文是袁世凯第二个儿子，早年因擅长舞文弄墨，颇得袁世凯宠爱，后因不满袁世凯复辟帝制作“绝怜高处多风雨，莫到玉楼最上层”而遭软禁。再后因与一心支持袁世凯复辟的兄弟袁克定有隙乃愤而离开京城，来到上海、天津等地以写文章、卖字画为生，生活凄苦。他母亲薛丽清，是袁克文的“妾”之一，去世早，他就一直跟着袁克文的正房刘梅真生活。

袁家骝一生节俭，粗茶淡饭，家里贴着“随手关灯”“节约用水”等字条，几乎没有什么新衣服，内衣上还打着补丁，每次回乡都不希望为接待他而铺张浪费。

袁家骝夫妇对家乡教育慷慨解囊，先后为家乡教育捐赠了700余万元人民币，并将一生积蓄都花费在了为祖国培养人才的吴仲裔基金中。

1942年5月30日，袁家骝与吴健雄结为连理，婚礼在曾获诺贝尔奖的美国科学家罗伯特·安德鲁·密立根教授家中举行，他们的儿子是袁纬承。

他们（袁家骝和吴健雄）具有“第一流实验物理学家所具备的难能可贵的素质；对于物理学有深刻的理解和高度的洞察力，从而设计出精巧的实验使大自然俯首贴耳，泄露它的天机；又能巧于动手、敏于实验，将头脑中蓝图变为实验室中的设备装置；能与合作者融洽相处，最大限度地调动他们为共同事业奋斗的积极性；更有锲而不舍的精神，克服前进道路上的重重障碍和困难，决不半途而废；再加上以严谨的治学态度来对待每一项实验结果，使之颠扑不破，经得起多方面的考验”。（中国科学院院士冯端评）

袁家骝教授是中美科技交流的积极实践者，几十年来，他和吴健雄教授热心关注中国科技事业发展，为促进中美之间的科技交流与合作，倾注了大量的心血，做出了重要的贡献。（时任全国人大副委员长、中国科学院院长路甬祥评）

袁家骝先生毕生献身高能物理学的研究事业，孜孜不倦、成果卓著，先生在“中子来源”、“质子加速器”和“共振物理学”领域的发现，成就非凡，为世人称道。（时任国务委员、教育部部长陈至立评）

袁家骝先生是享誉世界的科学家，他毕生从事高能物理研究，他的逝世是对世界科学事业，特别是在高能物理研究方面的重大损失。（时任中华人民共和国科学技术部部长徐冠华评）