在1988年，袁亚湘回国后，在中国科学院数学与系统科学研究院担任正研，这一时期他成为了国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）资助的首批科研人员。尽管他的初始奖金仅为1.3万元，但这对于刚从英国剑桥大学归来的他而言，是推动他深入数学研究的关键支持。在袁亚湘看来，稳定的长期资金支持对于数学研究至关重要，因为这种类型的项目通常难以获得其他形式的横向资助。
上世纪七八十年代，我国在优化领域仍处于较弱的地位。1982年11月，袁亚湘作为中科院选拔出的30多名优秀学生之一，被派往英国剑桥大学攻读博士学位，并师从优化领域专家M.J.D.Powell。完成了博士学业后，他回到国内，从事非线性规划相关理论方法的研究，并与学生戴彧虹合作提出“戴—袁方法”，该成果被收录于优化百科全书，并获得国家自然科学奖二等奖。
袁亚湘在信赖域方法领域取得了一系列基石性的成就，对最优化领域产生了深远影响。他提出了结合信赖域和传统线搜索方法的新计算方法，以及利用非二次模型信息构造二次模型子问题的创新思路。此外，他还系统地探讨了优化算法及其应用，这些工作对推动中国应用数学走向国际前沿起到了重要作用。
由于其杰出的科研贡献，袁亚湘被选为国际工业与应用数合会主席，这是中国科技工作者首次担任这一职务。他还荣获美国工业与应用数学学会杰出贡献奖，使得华人成为该奖项设立以来三十余年首位受此殊荣者。此外，他还曾在多个国际会议上作大会报告，不仅提升了自己的国际影响力，也增强了中国数学界的话语权。
随着年龄增长，袁亚湘开始更广泛地参与社会活动，与孩子们一起玩耍、讲解科学知识，以改变人们对数学刻板印象的一般认识。他认为激发孩子们对数学兴趣、进行科普工作非常重要。这不仅使得他的个人生活更加丰富，也促进了公众对科学精神和技术发展认识的大幅度提升。
近年来，由于政府政策的大力支持，如加大“数学天元基金”的投入和改善环境条件，“我国将建造国际月球科研站”成为现实，为未来几代青年学者提供了更多机遇。而且，如今青年可望实现梦想，有利于国家整体科技发展乃至整个社会进步。这一切都让我们相信，即便面临挑战，只要有坚定的决心和正确的心态，就能克服一切困难，最终达到高峰。