В 1934 Капица приехал в отпуск в СССР, но вернуться обратно в Кембридж ему не разрешили. В 1935 он возглавил Институт физических проблем в Москве. В 1939 был избран действительным членом Академии наук СССР. Лауреат Сталинских премий 1941 и 1943 по физике.
В 1946 Капица был снят с поста директора, и ему пришлось заниматься исследованиями в созданной им на даче домашней лаборатории. В 19391946 был профессором МГУ, с 1947 профессором МФТИ. В 1955 Капица был вновь назначен директором Института физических проблем. В том же году стал главным редактором «Журнала экспериментальной и теоретической физики».
Наибольшую известность Капице принесли его новаторские экспериментальные исследования в области физики низких температур, создание техники для получения импульсных сверхсильных магнитных полей, работы по физике плазмы. В 1924 ему удалось получить магнитное поле напряженностью 500 кГс. В 1932 Капица создал ожижитель водорода, в 1934 ожижитель гелия, а в 1939 установку низкого давления для промышленного получения кислорода из воздуха. В 1938 открыл необычное свойство жидкого гелия резкое уменьшение вязкости при температуре ниже критической (2,19 К); это явление называют теперь сверхтекучестью. Эти исследования стимулировали развитие квантовой теории жидкого гелия, разработанной Л.Ландау. В послевоенный период внимание Капицы привлекает электроника больших мощностей. Им были созданы магнетронные генераторы непрерывного действия. В 1959 он экспериментально обнаружил образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде. Капица был членом многих зарубежных академий наук и научных обществ, награжден медалями М.Фарадея (1942), Б.Франклина (1944), М.В.Ломоносова (1959), Н.Бора (1964), Э.Резерфорда (1966).
Умер Капица в Москве 8 апреля 1984.
Кедров Ф. Капица. Жизнь и открытия. М., 1979
Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. М., 1987