就在罗庚在中国领导数学事业、历经磨难而生命力依然旺盛的时候，省身在美国一心一意地研究几何学，并渐入佳境。1950年夏天，国际数学家大会相隔14年后在哈佛召开，省身被邀请做一小时的报告，他演讲的题目是“纤维丛的微分几何”。1970年，国际数学家大会在法国尼斯召开时，省身再度获得邀请做一小时大会报告，演讲的题目是“微分几何的过去和未来”。可以说，在这些年里，陈省身是风光无限的现代微分几何的代言人。不过，省身初到美国时，情况却并非如此。那时这门学科被认为已进入死胡同，甚至不出现在大学课程里。省身将拓扑学的精髓如临界点、不动点理论、纤维丛和示性类等应用其中，形成了所谓的整体微分几何。
芝加哥的十年，陈省身可谓“复兴了美国的微分几何，形成了美国的微分几何学派”。接下来，陈省身移师西海岸气候宜人的加州大学伯克利分校，帮助这所公立大学的数学学科从全美排名第四跃居到第一，在几何学和拓扑学两方面都提升了该校的学术地位。省身与不少同行们合作过，其中包括后来担任普林斯顿高等研究院院长的格里菲斯和堪称传奇人物的西蒙斯。省身和格里菲斯的合作主要在网几何和外微分几何，因为省身的原因，格里菲斯后来多次造访中国，他还一度担任国际数学联盟的秘书长，在他任职期间，联盟属下的国际数学家大会在北京顺利召开。
省身与西蒙斯则合作完成了“陈—西蒙斯不变量”，它至今仍是理论物理的研究热点，曾被物理学家、菲尔兹奖得主威藤应用到他的量子场论研究中去。后来西蒙斯当了纽约大学石溪分校数学系主任，与物理学家杨振宁共事，结果在一次演讲之后使杨先生终于明白，原来他和合作者米尔斯当年建立起来的规范场理论的数学对应物正好是省身建立的纤维丛理论，只不过后者比前者早十年出现罢了。这样一来，现代几何和现代物理就广泛密切地联系在一起，这同时提高了纤维丛和规范场理论的学术地位。
西蒙斯在数学上达到盛名以后放弃了教授职位，转向金融投资并大获成功。2003年春天，西蒙斯曾租用私人包机来天津看望省身，着陆申请是由杨振宁出面向北京方面提交的。而在眼下这场席卷全球的金融危机中，作为文艺复兴公司总裁，西蒙斯的年收入一举超越金融大鳄索罗斯，高居全球“对冲基金”经理之榜首，同时进入福布斯全球富豪榜的前一百位，他曾为南开召开的庆祝省身八十大寿学术会议等数学活动注入资金。
省身还为加州大学培养了31名博士，其中最负盛名、最有成就的当数后来获得菲尔兹奖的丘成桐，他解决了包括卡拉比猜想和正质量猜想等多项世界难题。在伯克利期间，陈省身还当选为美国科学院院士，并获得象征终身成就的沃尔夫奖，获奖理由是：“对整体微分几何的卓越贡献，影响了整个数学。”沃尔夫奖由以色列总统贺索亲自颁发，陈省身获得的另一项荣誉—美国国家科学奖则由福特总统在白宫授予。2009年，国际数学联盟宣布设立了陈省身奖，在四年一度的国际数学家大会上由主办国国家元首亲自颁发。
在行政事务方面，陈省身自从离开中国，卸下“中央研究院”数学所代理所长一职之后，就再没担任任何职务。但省身在与人交往，包括学术合作和指导方面表现出的大气和组织才能，又给美国同行以深刻印象。在美国数学会的一次换届选举之前，省身曾被探询愿否担任会长之职，但他坚定谢绝，于是担任了两年副会长之职。而当进入花甲之年，对故乡的怀念之情油然而生，他携带妻女回到了阔别已久的祖国，受到了高规格的接待，也见到了罗庚。那时罗庚正在外地推广“双法”，一纸电报把他召回了北京。那该是怎样一幕场景呢？在“文革”的悠悠岁月里，两家人一起吃了一顿烤鸭。
古稀之年，已经从加州大学退休的省身生活又到了转折点。那年春天，他与母校南开大学的领导和老友商议，准备建立南开数学研究所，为自己的回归做好准备。可是秋天，美国国家数学研究所却在伯克利成立，发起人之一的省身被任命为首任所长，回国定居的日期只得向后推延。直到三年后他任期届满，才接受邀请担任南开大学数学所所长。以笔者之见，当初省身之所以没有与另一所母校清华合作的原因恐怕在于，他不愿意与仍然担任中科院数学所所长职位的罗庚同城竞争。
在省身担任美国国家数学所所长期间，他频频寻找机会返回中国。省身与邓小平等国家领导人多次会面，利用自己的个人影响力，为提高中国数学的水准做出努力。比如，他倡导的“微分方程和微分几何国际讨论会”连续举办了七年，南开的学术年则连续举办了十一届。在省身的建议之下，还举办了“暑假研究生讲习班”，他本人亲自授课。在收留和关爱人才方面，省身更是不遗余力，其中包括龙以明和张伟平，前者是现任南开数学所所长。在陈老先生去世之后，他俩双双当选为中国科学院院士，成为最近一次院士增选中仅有的两位数学家。（2011年，曾得陈老关爱的陈永川也当选院士。）
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