袁家騮沒有像他的祖父袁世凱那樣選擇從政，也沒有跟隨父親袁克文當一名「公子」，他為袁氏家族開闢了一種新的可能。他喜歡擺弄的無線電使他與司徒雷登結緣，進而結緣了美國，又結緣了二戰中的雷達技術。但更主要的，他是布魯克海文國家實驗室和普林斯頓高等研究所的高能物理學家，是世界許多所大學的訪問教授、名譽教授，是臺灣中央研究院院士。
在去國離鄉整37後，袁家騮終得重遊舊土，一解鄉情，最終葉落歸根在愛侶吳健雄的故園。
袁家騮生於1912年4月5日，故鄉是河南安陽。他的父親袁克文是袁世凱的庶出。他的大伯父袁克定是袁世凱的嫡出長子。袁克定竭力要促成其父袁世凱稱帝，他做的皇帝夢比其父袁世凱有過之而無不及。他為其父稱帝不惜花重金造假輿論而遭到袁世凱的耳光。他生怕皇位會被弟弟們搶去，因此把他們一一逼出北京，僅保持他們最低的生活來源。
就這樣，袁家騮的母親帶著他和弟妹們回到老家河南安陽。袁家騮的父親袁克文則在京、津、滬等城市找尋工作，多數時間在文化界落腳。他與胡適是舊識。
袁克文反對其父稱帝，曾寫過「絕憐高處多風雨，莫到瓊樓最上層」的詩句，勸父親不要稱帝，但反而遭到袁世凱的軟禁。為避遭不測，才遠離北京南下度日。
1916年6月6日，袁家騮四歲，祖父袁世凱突然去世。從此袁克文與袁克定之間再也沒有什麼牽扯。袁家騮從小在安陽老家上學，13歲時到天津南開中學求學，但一個月後就轉到英國教會辦的新學書院。所以，袁家騮的英語和科學知識在中學時就很不錯。1928年袁家騮考入工商大學念工程學。1930年轉到燕京大學物理系學習。他對無線電通訊很有興趣，還自裝收音機等，動手能力較強。
袁家騮1932年從燕京大學畢業，隨後在母校又讀了兩年碩士研究生。接著又到開灤煤礦工作了一年。燕京大學校長司徒雷登業餘時間也喜愛搞搞無線電收音機之類，這樣就與袁家騮熟悉了。他得知加州柏克萊大學有一個獎學金名額是給外國學生的（美國稱為國際學生），便問袁家騮有沒有興趣。他當然願意。但這個計畫只許諾第一年有獎學金，第二年起要看學習優秀程度而重新評定。
袁家騮自幼學習努力，成績不錯，為人厚道，勤勞、節儉、助人為樂。他到柏克萊加大物理系後，住在國際學生宿舍區。公用物品壞了，他主動去修好，所以很得宿舍區管理主任的稱許。他的這些好品質也給吳健雄留下了深刻的印象。
吳健雄到舊金山比袁家騮晚兩周，這時已經開學。袁家騮應該校中國學生會的要求帶領吳健雄參觀了柏克萊物理系，所以是該校中國學生中最早認識吳健雄的。他們兩人同在一個系當博士研究生，又都住在國際學生宿舍區內，朝夕相處。吳健雄是才女佳麗，許多人都追求她，袁家騮也不例外地動了心。但袁家騮明白，他們兩人來美國是求學深造的，在沒有獲得博士學位以前，是沒有條件談婚事的。這一點對雙方都一樣。
袁家騮性格沉靜，言語不多，穩重可靠。這些都給吳健雄留下了良好的印象。1942年5月30日，袁家騮與吳健雄結婚。
袁家騮是靠燕京大學校長司徒雷登的資訊和推薦才進了加州柏克萊大學。但一年後的1937年，抗戰開始，美國人因歧視中國人，不肯繼續給袁家騮獎學金。袁家騮一氣之下就寫信給加州理工學院（CIT）校長密立肯，請求CIT給他獎學金，並轉CIT攻讀博士。密立肯立即回信，表示同意。從此，袁家騮轉入位於洛杉磯的CIT學習。這是一所世界著名的頂尖理工科大學，在美國4700所高等學校中排名約在第8位。校長密立肯是諾貝爾獎得主，是袁家騮的恩師。袁家騮與吳健雄的婚禮就是在密立肯的校長官邸里舉行的，而且因為雙方都沒有任何一個親屬在場，密立肯自告奮勇當主婚人和證婚人。錢學森作為當時CIT中國學生會會長，為袁、吳結婚全過程拍了錄像。CIT為我國培養了一大批頂尖級科學家，談家楨、周培源、趙忠堯、股宏章、范緒箕、郭永懷、盧嘉錫、袁家騮、羅沛霖、錢學森等，都是從這裡走出去的。中國青年在CIT的博士畢業率達85％，是全美其他高校都不及的。
1947年2月15日，吳健雄在普林斯頓生了一個男孩，取名袁緯承，英文名字叫Vincent。這時在普林斯頓高等研究所的愛因斯坦也去看望了住院的吳健雄，因為愛因斯坦的妹妹這時恰好也住在這所醫院裡。
早在1940年袁家騮和吳健雄博士畢業後，他們便想繞道回祖國，因為這時日本已占領了中國整個東部地區，封鎖了海岸。時任中國駐美大使的胡適得知這一消息後，就邀集中國留學生談話，包括袁家騮和吳健雄在內。胡適批評他們不看時局而有些不適當的想法，力勸他們暫時不要回去。說中國抗戰必勝，勝利後需要建設，你們現在要利用這個機會，在這裡好好學習，多掌握本領，勝利後再回國參加建設。而這時回國在路途上確實也很困難，所以他們也就聽胡適的話，沒有回國。不想抗日勝利後，內戰又起，又未能回國；以後又是朝鮮戰爭。一直等到1972年尼克松訪華，美國取消了禁令，允許美國人可以到中國大陸去。1973年，袁家騮終於能與吳健雄回國探親、訪問、旅遊。這時兩人離國已整整37年。
1940年袁家騮畢業於加州理工學院物理系，獲博士學位。第二年珍珠港事件爆發，美國對日本宣戰。美國開始投巨資從事國防科研和生產。袁家騮到美國東部地區參加RCA公司的科研工作。他對無線電電波很熟悉，所以主要從事連波雷達的工作。那時雷達還剛剛興起不久。當時在美國研製軍用雷達的主要有兩個單位：麻省理工學院的物理系和RCA公司。前者主要是研究遠距離偵察。當日本海軍大將山本五十六還在拿著望遠鏡偵察美機和美艦動態時，他的艦隊動態早就通過雷達出現在千里之外的美國熒光屏上，讓美國人看得一清二楚。
RCA公司的雷達系統，則可以幫助美國的軍用飛機自動調節、自動控制飛行高度和飛機間距等，這就可以對敵機造成居高臨下的態勢並減少自己機群之間的誤傷。而民用航空和船隻的安全係數也因此大為增加。
二戰結束後，袁家騮進入美國五大國家實驗室之一的布魯克海文實驗室（在紐約長島）和普林斯頓大學的高等研究所從事科研工作。他主要研究「中子的來源」、「高能質子加速器」、「共振物理學」等基礎科學。
袁家騮是高能物理學家。他在布魯克海文國家實驗室的工作是研究高能加速器的發展。他曾應邀擔任過歐洲、法國和蘇聯等國家和地區的核物理和高能物理的訪問教授。1958年臺灣中央研究院聘吳健雄為院士，次年聘袁家騮為院士。他還先後被南京大學、南開大學、東南大學和中國科技大學等十餘所大學授予名譽教授。
早在1958年6月袁家騮就在日內瓦歐洲核物理研究中心工作過，後來又轉到巴黎郊區的一個科學實驗中心工作。當時他惟一的兒子就住進巴黎的寄宿學校學法文。
1956年吳健雄和袁家騮本來準備去歐洲參加會議併到東亞旅行，順便可能去香港、臺灣。但後來吳健雄要搶時間做宇稱是否守恆的實驗，未能出行，便只剩袁家騮一人去了。這年袁家騮第一次到臺灣，他是受臺灣清華大學校長梅貽琦的邀請而去的。梅貽琦想讓袁家騮參與臺灣清華大學籌設原子科學研究所和原子反應堆等的討論。袁家騮還在梅貽琦的陪同下會見了蔣介石，蔣介石徵詢袁家騮的意見：臺灣是否可以研製核子彈。袁勸蔣不要研製核子彈，因為花錢太多。實際上吳大猷、
吳健雄、任之恭等都認為臺灣不要搞核子彈，任之恭還一再向袁家騮表示：「你千萬不可碰這件事。」袁家騮勸蔣介石還是研究原子能和平利用為好。從1945年第一顆核子彈在廣島爆炸起，蔣介石就提出想搞核子彈，直到他1975年離世，整整30年裡，他一直念念不忘核子彈，但經過許多科學家規勸，終未搞成。
後來，袁家騮和吳健雄把家設在紐約。吳健雄從二戰時起就在紐約的哥倫比亞大學工作，袁家騮所在的布魯克海文國家實驗室亦在紐約的長島上。但是他們始終懷念著中國大陸的建設和發展。1973年後，他們多次回到祖國和家鄉看望。他們還捐資500多萬元在江蘇太倉瀏河鎮（吳健雄的出生地）的明德學校設立吳仲裔（吳健雄父親）基金會，用以獎勵優秀學生、改善學校圖書設備和教師生活。
1997年吳健雄因腦溢血逝世。袁家騮從此失去了相伴61年的伴侶，甚為悲痛。同年在明德中學建立了吳健雄墓園，並由楊振寧題寫園名，由李政道撰寫墓文。
袁家騮出身豪門，卻絲毫沒有豪門的習氣；相反，從來都是平易近人，樸實無華。可以想像他對吳健雄一生的始終支持。應該說，吳健雄的成就中也有袁家騮的功勞。
袁家騮在天津度過五年少年期，晚年對天津的發展很關心。現在生活在天津的袁世凱的後人有一百多人。2000年天津成立海外交流協會，請袁家騮任顧問，他欣然同意。2001年6月年近九秩高齡的袁老再一次來到天津參加海外華僑研討會，7月突發心臟病住院搶救。2003年2月11日，袁家騮在北京協和醫院辭世，享年91歲。按他的遺囑，將他葬于江蘇太倉瀏河鎮吳健雄墓園，並由李遠哲題字，由丁肇中撰寫生平碑文。四位華人諾貝爾獎得主的題字、撰文齊聚在一個墓園，是絕無僅有的。