1949年，谷超豪担任中国科协杭州分会秘书和党组书记。他把杭州市的科技人员团结在科协周围，组织全市科学家为经济建设出谋划策，科普工作搞得有声有色。然而，忙于科协工作的他，从未中断过数学的研究。

青春年华，精力充沛。白天，他在科协忙碌，去浙大听课和做教学工作，晚上就在宿舍里研究数学，直至深夜。苏步青在为青年教师开的课程中，提出了K展空间理论方面的一个未能解决的问题，谷超豪立刻被迷住了。两星期后的一天晚上，已经相当疲倦的谷超豪，突然来了精神，一个个数学公式骤然出现在他的脑海。谷超豪最早的微分几何论文《隐函数方程式表示下的K展空间理论》就是在这样的灵感下逐渐成形。最后这个思想被称为“分叶”思想，并很快被用来解决苏步青提出的问题。1951年，这篇论文在《中国科学》上发表，引起了国际数学界的震惊。1951年春天，他作为中国科协代表团的五个成员之一，和梁希、茅以升等到捷克斯伐洛克，参加世界科协理事会。临行前，周总理亲自接见了他们，对重大的原则问题作了指示，并立即同意他们在苏联参观三周的要求。参观活动，再一次激起了谷超豪的数学热情。

1953年，谷超豪转到复旦大学。1956年升为副教授。那一年，谷超豪出席了全国先进工作者代表大会。作为主席团成员之一，他受到了国家领导人的亲切接见。华罗庚也注意到了这位数学新秀。谷超豪去北京时，华罗庚曾几次请他吃饭，并鼓励他要做出有自己特色的、系统的工作。谷超豪非常感动，并把这些教导牢记在心。

他到莫斯科仅一年的时间，参加讨论班的教授们一致认为应该授予这位来自中国的学者以科学博士的学位。谷超豪的博士论文的题目是《论变换拟群的某些通性及其在微分几何中的应用》。答辩会在1959年6月举行，著名数学家刘斯杰尼克任答辩委员会主席。谷超豪从容不迫，侃侃而谈，回答了答辩委员会提出的问题。他巧妙的构思，令人信服的工作，得到了专家们高度评价，投票建议授予他莫斯科大学物理—数学科学博士学位。依照苏联的学位制度，获得博士学位是很艰难的．这是迄今为止莫斯科大学唯一的中国博士。

1980年，谷超豪当选中国科学院院士。1994年当选为国际高等学校科学院院士。谷超豪从事教学工作数十年，培养出一批优秀人才。他还捐设“谷超豪奖学金”激励温大学子立志成材。其一生为我国数学研究和科学教育事业的发展作出了重要贡献，在一般空间微分几何学、齐性黎曼空间、无限维变换拟群、双曲型和混合型偏微分方程、规范场理论和孤立子理论等方面取得重要成果，撰有《数学物理方程》等专著，研究成果“规范场数学结构”、“非线性双曲型方程组和混合型偏微分方程的研究”、“经典规范场”分别获全国科学大会奖、国家自然科学二等奖、三等奖、2009年度国家最高科学技术奖。