С 1935 года Петр Леонидович вновь начал жить вместе с семьей в СССР в Москве, где специально для него построили Институт физических проблем. 7-летний Сергей плохо говорил по-русски, пришлось ходить к учительнице и учить русский язык. По-русски потом он всегда говорил с заметным иностранным акцентом.

Во время войны семья Петра Леонидовича была в эвакуации, в Казани. Сергей увлекался астрономией, принимал участие в экспедициях по поиску нефти в Татарстане. По возвращению в столицу он в 1949 году окончил (поступил в 15-летнем возрасте) Московский авиационный институт (самолетостроительный факультет). После работал в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), в Институте физики Земли, стал заведующим лабораторией Института физических проблем Российской академии наук (РАН). С 1965 по 1998 год ‐ заведующий кафедрой Московского физико-технического института. Доктор физико-математических наук, профессор.

Сергей Капица – автор сотен монографий и статей, изданных во многих странах мира, 14-ти патентов. Ему принадлежат научные работы в области сверхзвуковой аэродинамики, земного магнетизма, ускорителей частиц, прикладной электродинамики, синхротронного излучения, ядерной физики, истории науки, методики и теории образования.

Сергей Петрович был широчайше образованным человеком, стремился к цельности научного видения. Сетовал на его отсутствие. Об этом он однажды высказался так:

«В современной науке нет крупных обобщений, нет крупного интегративного взгляда на природу. В конце концов, каждому человеку, да и лицам, принимающим решения, важны не конкретные данные по той или иной области, а важные рекомендации по каким-то общим картинам. У нас по существу нет серьезного методологического анализа того, как проводить, организовать и главное реализовать такие междисциплинарные исследования…»

Как популяризатор науки Сергей Петрович дебютировал в 1973 году. Тогда он опубликовал сверхоригинальную книгу (недавно переизданную) «Жизнь науки». В ней он собрал более чем 100 вступительных слов и предисловий к основным научным работам исследователей со времен Коперника и Дарвина до наших дней (точнее: по вторую треть ХХ века).

Тогда же с 1973 года Сергей Капица стал бессменным ведущим телепередачи «Очевидное – невероятное», которая до сих выходит на российском телевидении. Как телеведущий с самым долгим стажем ведения программы он занял второе место в Книге рекордов Гиннесса и первое в Российской книге рекордов. В 2008 году он получил специальный приз ТЭФИ за личный вклад в развитие российского телевидения.

С 1977 года Сергей Петрович принимал активное участие в Пагуошском движении ученых, был членом Совета этого движения, заместителем председателя Российского Пагуошского комитета. В 1983 году он организовал издание в СССР под названием «В мире науки» русской версии научно-популярного журнала Scientific American и стал его главным редактором.

Капица был членом Европейского физического общества, Мирового института науки, Международной федерации аэронавтики, Римского клуба, Европейской Академии, Международной академии гуманизма, Манчестерского литературного и философского общества, Мировой академии наук и искусств, Совета по культуре и искусству при Президенте Российской Федерации, Международной комиссии по культуре и развитию, Академии российского телевидения и целого ряда других обществ.

Он был лауреатом международной премии Калинги ЮНЕСКО (1979), Государственной премии СССР (1980), премии Президиума РАН за вклад в популяризацию науки (1995). Награжден орденом Почета (2006), орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2011), Золотой медалью Российской академии наук (2012).