钱三强幼时就读于蔡元培任校长的北京孔德中学。1936年，毕业于清华大学的钱三强经吴有训教授推荐，成为北平研究院物理研究所严济慈所长的助理，从事分子光谱方面的研究。1937年9月，在严济慈的引荐下，钱三强进入巴黎大学镭学研究所居里实验室攻读博士学位，师从约里奥-居里夫妇。

受父亲钱玄同“学以致用，报效祖国”思想的影响，钱三强在得知新中国即将诞生的消息后，立即表示愿意回国参与建设。他认为“虽然科学没有国界，科学家却是有祖国的。正因为祖国贫穷落后，才更需要科学工作者的努力去改变她的面貌”。导师约里奥对于钱三强的回国决定表示理解和支持，不仅将一些放射性材料送给他，还鼓励他回国后要为人民服务，积极投身科学事业。

1948年，钱三强回国后担任清华大学物理系教授。新中国成立后，他便全身心地投入到原子能事业的开创中，先后担任中国科学院近代物理研究所(后改名为原子能研究所)副所长、所长，并于1954年加入了中国共产党。

1954年国庆节，苏联领导人赫鲁晓夫访华。毛泽东首次向对方询问能否提供核子方面的帮助，遭到婉拒。1955年1月，毛泽东召集中央领导人开会研究发展中国原子能事业，并特地请来钱三强、李四光等人。“今天，我们这些人当小学生，就原子能的有关问题，请你们来上一课。”

面对关系到国家安危的重要问题，钱三强将自己丰富的核知识浓缩起来，通俗易懂地介绍了世界原子能发展历程和中国当前的条件，认为已经初步具备发展的基础。为生动地展示核辐射的测量，他还在桌上放置了事先准备好的自制盖革计数器，并将一块铀矿石放在口袋里从桌旁走过，计数器立刻发出“嘎、嘎”声响，引起会场领导人的一片笑声。会后，党中央决定发展本国核力量，并由钱三强负责制定原子能发展规划。