1937年，即罗庚从英国回国的前一年，省身便准备从巴黎启程了，那时他已经在欧洲居留了三年，母校清华大学聘他为教授。没想到就在启程前三天，爆发了“七七事变”，日本人占领了北京城。虽然前途未卜，可是省身却不顾危险。在汉堡时，省身的老师杨武之教授就写信给他，把另一位教授郑桐荪的千金介绍给他，省身在清华读书时见过郑小姐，印象还不错，于是两人便开始通信。在那个年代，也就算是名义上的男女朋友了。虽然有急于赶回去的心情，但贪玩又有心计的省身还是先坐船横渡大西洋到纽约，前往普林斯顿朝圣。时值炎炎夏日，数学家们都避暑去了。接下来，省身穿越美洲大陆来到加利福尼亚，最后搭乘一艘邮轮回上海。
美国之行给省身留下了美好印象，六年后他重返美国，在那里度过了大半生，此乃后话。当邮轮抵达长江口时，却发现岸上火光冲天，原来上海刚被日本人占领。不得已，邮轮掉头向南去了香港。省身无法与在上海的女友见面，到达香港后又滞留了一个多月，方才得知清华与北大、南开已搬到湖南，组成长沙联合大学。省身赶在开学前抵达，战火迅速向南蔓延，省身在长沙只待了两个多月，便又随学校南迁至昆明。那年岁末，省身在长沙订婚了，那会儿郑小姐还是燕京大学生物系二年级的学生。两人的婚礼要等到一年半后，才在昆明举行。
华罗庚与闻一多两家在西南联大旧居（1940-1941）
就在省身抵达昆明的那一年，罗庚从英国回来了，他也被破格聘请为西南联大的教授，两人当时年纪只有二十六七岁。在罗庚辗转从香港、西贡和河内抵达之前，他的夫人和孩子们已先期来到，一家团聚之后住在郊区，以避开日军飞机的轰炸。联大也坐落在郊区，但离华家比较远，罗庚每次坐着颠簸的牛车去上课。后来，在有课的时候罗庚就住到学校里，和另外两个单身汉同居一室，其中就有省身。原来，省身婚后不久，夫人有了身孕，便送她回上海随其父母生活。
在西南联大的那些年里，罗庚和省身的数学研究都取得了新的突破。两人有一年时间住在一个房间里，每人一张床、一张书桌和一把椅子。那时联大的教授尽管生活清贫、工作条件艰苦，教书和研究热情却异常高涨，还有许多出类拔萃的学生，如杨振宁、邓稼先、李政道等。一段时间里，罗庚和省身一早起来有说有笑的，然后便沉浸在各自的数学空间里，直到深夜。虽然两人从未合作写过论文，但他们在联大合办过“李群”讨论班，这在当时全世界都十分先进。
在联大期间，罗庚在数论方面的研究主要与获得牛津大学博士并在普林斯顿做过博士后的闵嗣鹤合作，同时努力完成自己的第一本专著《堆垒素数论》。其时罗庚已是这个领域的领袖级人物了，但他并不满足于此，而是另辟蹊径，在自守函数和矩阵几何领域均做出了出色的工作，前者至今仍是研究热点，后者与省身的老师嘉当的工作有关。罗庚在一篇论文的末尾还提到省身，感谢他提供嘉当论文的抽印本。此外，他还研究了代数学中的若干问题，如有限群、辛群的自同构性质，后者在不久的将来引导他深入研究典型群论。
与此同时，省身的学术研究也取得了新的进展。回国第二年，他便在美国的《数学年刊》上发表了一篇论文，这家由普林斯顿大学与高等研究院联合主办的刊物今天仍是全世界数学领域里最重要的。几年以后，省身又两度在《数学年刊》上露面，他在克莱因空间的积分几何等领域做出了出色的工作。法国数学家韦伊在《数学评论》上撰写长文，予以高度评价，他认为，此文超越了布拉施克学派原有的成
就。这些工作为省身后来进入并立足美国铺平了道路，也正是在那段时间，他对高斯—博内公式产生了浓厚的兴趣。
1943年夏天，省身应邀赴美访学，在普林斯顿逗留了两年半，完成了一生最出色的工作，包括给出高斯—博内公式的内蕴证明，这标志着整体微分几何新时代的来临。这项工作是在抵达美国最初三个月内完成的，足见他在昆明时已做了充分准备。两年后，在接获母亲病危消息回国前夕，省身又提出了现在被称作“陈示性类”的不变量理论。那时抗战已取得胜利，罗庚在国内以其个人的成就和交游能力，可谓如鱼得水。他先是应邀访苏，接着又被选入赴美考察团。1946年春天，正当罗庚准备出发去美国时，省身回国了，两人在上海得以晤面。按照省身的回忆：“他（罗庚）负有使命，但我们仍谈了不少数学，我们的数学兴趣逐渐接近。”
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