1943年，周培源享受第二次学术休假。
国民党政府通知，到国外休假的教授，可以持官员护照，享受官员出国待遇。只是，在领取官员护照前，休假的教授须先去重庆接受政治训练。显然，这是国民党政府在政治上拉拢并控制教授的一种手段。周培源对于这种政治伎俩不屑一顾，断然拒绝去重庆受训。他说：“我出国做百姓，无需持官员护照，也不去重庆接受训练。”宁做百姓，不当官员；平等处世，清高为人；这鲜明地反映了他当时所奉行的人生观。最后，他领取了美方签发的普通签证。
9月，周培源携夫人及三个女儿启程。
西天取经，道路并不平坦，他们要像唐僧一样，经受九九八十一难。此时，抗日战争正进入最困难阶段，日本占领了中国除西部之外的大片河山，并且还占领香港、老挝和缅甸等地，只有印度尚控制在盟国手中。中印航线需经怒山、高黎贡山，并在金沙江、澜沧江、怒江等高山深谷上空飞行，地面高低起伏如同驼峰，因而被称之为“驼峰航线”，这条航线多次发生空难，危险系数很大。当飞机翻越高山时，舱内严重缺氧，年仅18个月的如玲又哭又闹，大喊：“门儿，门儿！”做父亲的只得一直抱着她。飞机抵加尔各答后，他们转乘飞机去孟买，在孟买登上了美国的Maraposa号客轮驶往美国旧金山。这里的海域也不安宁，常有日本的军舰四处游弋。他们的船待了3天，才于夜深人静时分，关闭了所有的船灯，才缓缓驶出孟买。即使在大洋里，船只仍有遭逢日舰的危险，夜间常常熄灯灭火，小心翼翼地前进。经过1个多月的艰难的航行，他们才幸运地结束了这个令人提心吊胆的航行，平安抵达旧金山。
抵美后，周培源来到母校加州理工学院做访问教授。当时青春年少，独自一人；而今人到中年，携家带口。校园依旧，使他感到亲切，而饱经磨难的人生，已非当年况味，真可谓物是人非，别有一番滋味在心头。
尽管是战时，较之中国，美国依然显现着格外的安谧与富足，母校的教学与科研依旧井然有序，这里的教师学生，脸上绽放的是自在的笑靥，决没有警报长鸣下的惊恐。从战乱到安定的周培源，一时恍惚，自觉犹如桃花源中人。
家眷刚刚安排妥当，他便接到了美国移民局的一份通知，告诉他可申请美国国籍。他一时纳闷，不知何故。后来才知道，在二战期间，美国对教师、牧师和商人大开绿灯，允许他们在美国获得永久居住权，作为教授与科学家的周培源，正是移民局亲睐的对象。周培源得知这一情况后，一笑了之。李白诗云：“锦城虽云乐，不如早还家”。他的家在中国，危难之中的中国是生育他的父母之邦。他在这里求学、进修，并非要改换门庭，而是要学成回去报效祖国——这是他们这一代知识分子浃骨入髓的理念，周培源毫不例外。
他继续深入研究湍流理论。
没有了饥饿的威胁，没有了炸弹的恐吓，有了宁静的环境与灵通的信息，有了切磋讨论的学术氛围，他终于可以全力以赴，攻城拔寨了。他对自己在1940年提出的理论，作了进一步的完善与发展，使其获得了重大的突破。1945年，他在美国《应用数学》的杂志上，发表了《关于速度关联的湍流脉动方程的解》这篇论文，提出了湍流运动的两种解。文章发表前，周培源曾和著名空气动力学家冯·卡门教授仔细讨论过，虚心听取他的意见。周培源诚恳地说：“这个工作和我1940年的工作都是在你的启发影响下完成的。”冯·卡门在充分地了解了周培源的工作以后，兴奋而又谦虚地说：“你的工作大大超过了我。”文章在国际上产生了重大影响，被视为湍流学界的经典文献，至今仍为人们所引用。几年后，他提出的湍流解在国际上发展为油泵充的模式理论，国际上公认他是湍流模式理论的奠基人。在这一年多对湍流理论的深入研究，是他一生科研中的辉煌时期，从而奠定了他在科学界崇高地位的基础，后来被称为世界当代流体力学四位巨人之一（还有美国的冯·卡门，前苏联的柯尔莫奇洛夫，英国的G.I.泰勒）。
那时，中国学界人士在美携家着者甚少，其中耳熟能详的则有两家：一是东海岸剑桥的赵元任家，另一个则是西岸帕萨迪那的周培源家了。周培源随和幽默，王蒂澂热情爽快，每到星期天，在加州理工学院工作与学习的清华与西南联大的学人们，自然而然地云集到他们家并在他们家聚餐。他们当中有钱学森、孟昭英、毕德显、傅承义、钱伟长、郭永怀与林家翘等人。
来者各自携来蔬菜和鸡、鸭、鱼肉，到周家后则自行动手，各展所长。钱学森、孟昭英、毕德显三位巧手可为有米之炊，烹饪手艺不错，常常主动担任炒菜任务，不会炒菜者，则承包洗碗，其中，周培源和郭永怀是洗碗的积极分子。有时，他们还转移阵地，由钱学森和周培源开车带着大家到海边野餐和游泳。周家三个女儿出国不久，满口中国话，像金铃一般清脆动听，如孔子闻韶乐，大家都说：“好久没有听中国小孩说中国话了，她们的话，真是好听！”乡音震荡了他们思乡的情怀。
茶余饭后，他们免不了要议论国内外政治，对国内战局、苏德战局、北非和地中海战局甚是关注。对文艺和生活小节也津津乐道。其中，最为关心的则是有关国内尤其是西南联大的消息。
此时，昆明的物价像断了线的风筝，扶摇直上。教授们的月薪，开始尚能维持全家生计，后来则只能维持三个星期甚至半个月了。不足之处，靠在外边兼课。闻一多家人口多，兼课尚不足以维持，则操刀刻章以填补家用。一些教授们的夫人，或绣围巾，或做帽子，到街上出售，以解燃眉之急。梅贻琦的夫人韩咏华，则跟人家学做上海式的米粉碗糕，取名“定胜糕”，挎篮子步行45分钟到“冠生园”食品店去寄卖。社会学系教授陶云逵病逝后，家徒四壁，夫人林亭玉生活无着，投滇池自尽，幸为渔民救起。联大师范学院的副教授萧涤非，四处兼课，但生活依然十分困穷。第三个孩子出生，扶养不起，只好忍痛将其送给他人。骨肉分离，其情难舍，萧涤非作了一首令人断肠的五律，为孩子送行。诗名《早断》，全诗云：
好去娇儿女，
休牵父母心。
啼时声莫大，
逗者情宜深。
赤县方流血，
苍天不雨金。
修江与灵谷，
是尔旧山林。
萧涤非是江西临川人，夫人当属南京，故用模糊的地名修江、灵谷，给孩子指点血脉 的源流所在。
……
赤县在流血，知识分子在平民百姓都在困难中随着煎熬，国民党中央的“四大家族”与地方的官吏们却乘机大发国难财，贪污腐败与投机倒把现象愈演愈烈，较之战前更胜一筹。国民党不垮，天理难容！周家聚会席上没有一个人拥护国民党政府，对它的未来不抱希望。只是，对苏美两种社会模式的比较，对国共两党未来的分析，则常常各执一端，有时甚至在饭桌上就争吵起来。他们之中，反蒋反国民党态度最为坚决者当属钱伟长。
钱伟长思想左倾，已非一时。早在1935年“一二·九”学生运动中，便是清华学生中的一个积极分子。运动中，清华学生抗日救国会曾组织南下宣传队，一行22人，骑自行车经天津、济南、徐州、蚌埠，到南京散发反蒋传单，全体被捕，押解郑州，放逐北返。钱伟长与孔祥瑛（后来与钱成婚）参加了这次声震四方的学生爱国行动，亲自感受了国民党政府的专制强暴，因而在思想感情上倾向共产党。
周培源等人的思想与钱伟长略有不同。他们痛恨国民党政府的腐败与专制，但又把抗日胜利的希望寄托于他们，对于共产党的抗日政策和八路军、新四军深入敌后，发动民众，建立抗日根据地打击侵略者几乎毫无所知，虽然后来看到一些美国记者对抗日根据地所作的报道，但依然是雾里看花，将信将疑。
一次，一名国民党政府官员携妻带子来周家探视。周培源向他了解国内抗日战争的形势，他一张嘴就说：“共产党了不起，很可怕！”听者颇感惊讶，问道：“国民党有几百万军队。还有美国政府送来的大量飞机大炮，为什么还怕共产党？”他一时答不出来，只是说：“可怕，可怕！”
这名国民党官员惊魂未定的回答，给周培源留下了深刻的印象。只是，印象归印象，作为一个科学家，更重视理性的推导与论证。
在1944—45年间，周培源与郭永怀有较多的交往，谈话较为深入。那时，郭永怀正在撰写有关跨音速流动的博士论文，他们常在加州理工学院的教授俱乐部共进午餐，饭后就去学院对门的小公园里休息，探讨他们感兴趣的一些问题，其中一个中心问题便是对苏联的社会主义与美国的资本主义比较。郭永怀认为，在苏联社会中没有竞争，个人的才能与价值难以得到充分体现，但在美国靠个人奋斗就可以成为科学家和资本家。周培源则由于家庭生活常与美国的大公司接触，深刻地感到美国的垄断资本统治着美国社会，一个老百姓如果同一家大公司发生矛盾，吃亏的总是老百姓。倘将美国与苏联相比较，美国的大公司与大公司之间常常发生矛盾，有时百姓还能坐收渔翁之利；而苏联只有一家公司，即斯大林公司，所以老百姓的日子一定会更不好过。
周培源与郭永怀，此时都是超然于国共两党之外的自由主义科学家，政治非他们本行，但传统中国士人与生俱来的忧国忧民意识，以及优良的科学逻辑思维训练，使他们对于政治有着超乎常人的敏悟。“民本”思想是他们衡量政治优劣的基准，亦是他们后来为“为人民服务”宗旨的感召，积极追随共产党，甘作工农兵孺子牛的思想基础。他们对苏联计划经济社会模式以及“斯大林公司”的弊病，已有一种鞭辟入里的先见之明。在后来的社会主义阵营内，铁托是一个睿智的人物，但是，他也是直到五、六十年代，才意识到类似所谓的“斯大林公司”，其本质则是国家资本主义，较之资本主义更具垄断与专制色彩。