１９３４年初夏，霍秉权接到清华大学物理系教授赵忠尧来信，邀请他到清华大学任教，同时，由于当时湖北省经费拮据，停发湖北省在英留学人员的经费。于是，他于１９３４年８月启程回国。在途中抓紧机会前往英、法等国实验室访问。霍秉权从１９３５年２月起任清华大学教授，同年经严济慈介绍参加中国物理学会，任总会常务理事。

    霍秉权在清华大学物理系讲授普通物理学、近代物理学和电磁学，同时致力于科学研究。他自制成小“云室”，并于１９３６年在《中国物理学报》上发表了《放射性元素Ｒａ－Ｅβ－射线的能量分布》的科学论文。当时中国贫穷落后，放射性元素极端缺乏，他不得不放弃对放射性元素的研究，把研究的重点放在宇宙射线上。

    宇宙射线是存在于宇宙空间的高能粒子流，它包含着丰富的基本粒子和原子核成分，人们可以利用这种天然的高能粒子流发现新的基本粒子和进行基本粒子物理的研究。宇宙线本身也是宇宙空间天体演化过程的产物，它的产生又为人们提供了天体演化过程的宝贵信息，因此可以用来进行天体物理研究。霍秉权为了研究宇宙射线，１９３６年在“云室”的基础上做成了“双云室”，用以观察宇宙射线，并准备结合计数管作为宇宙射线探测器。用这种“双云室”观察宇宙射线，其径迹清晰，性能良好。他的这一创造得到国际著名物理学家Ｎ．玻尔和霍秉权的导师威尔逊的充分肯定。他的研究成果于１９３７年写成题为《双云室研究宇宙射线》的论文，但因抗战未能送出。

    当时，国家内忧外患，使科研工作遇到极大困难。日本侵略军的魔爪伸进我国，北平即将失陷。１９３７年８月清华大学迁往长沙，与北京大学、南开大学合并组成长沙临时大学（后迁至昆明更名西南联合大学）。霍秉权在离开清华园科学馆以前，眼看着自己呕心沥血刚刚制成的“双云室”，由于体积大、附件多而无法运走，十分痛心，又别无他法，只好忍痛离去。他随身带着装有５０ｍｇ放射性元素的铅罐，乘火车先到长沙，于１９３８年２月再迁昆明。在西南联合大学，环境极端险恶，他仍然顽强地工作，继续制作“大云室”，研究宇宙射线。

    １９４３年９月，霍秉权得到休假一年的机会，去美国华盛顿卡内基研究所做加速器研究工作一年，于次年８月回国，继续在西南联合大学任教。

    １９４５年８月日本投降，北京大学、清华大学、南开大学决定分别迁回北平、天津。１０月霍秉权任西南联合大学联合迁移委员会委员。１９４６年１月又任物理系代理系主任，圆满地完成了系务工作。

    １９４６年秋，清华大学迁回北平，霍秉权任物理系主任，主持重建教学实验室等艰巨的恢复工作，使教学很快步入正常轨道，并大力恢复科研实验室。至于霍秉权本人的研究工作，他抱着一线希望来到科学馆，而“双云室”已不复存在，就连附件也被日本侵略军抢走。当时通货膨胀，物资奇缺，在既无钱、又无人的情况，要重建“双云室”实难如愿。