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从事优化领域的研究工作。在此期间，他不仅深入研究了非线性规划理论方法，还提出了“戴—袁方法”，这是一种非线性共轭梯度法的重要方法，并被收录于优化百科全书。他的这一成果获得了国家自然科学奖二等奖。
袁亚湘在信赖域方法领域取得的成就，被国内外专家认为是基石性的成果，对最优化领域至关重要。他还首创性地提出了用信赖域方法和传统线搜索方法结合来构造新的计算方法，并开创了利用非二次模型信息构造二次模型子问题的方法，提出了非拟牛顿法。他的工作对于大规模优化算法的构造和应用具有重大意义。
由于其杰出的科研成绩，袁亚湘被推选为国际工业与应用数合会主席，这是中国科学家首次担任该组织主席。他还获得了美国工业与应用数学学会杰出贡献奖，这是该奖项设立以来30多年首位获此殊荣的华人。
随着年龄增长，袁亚湘开始涉足更多社会活动，不再局限于纯粹数学研究。他通过录制电视节目、接受采访、参加座谈会等方式，与年轻人交流，让他们了解到数学不仅枯燥无味，而且还是解决各种复杂问题的关键工具。在他看来，将数学普及给每个人都是一个重要而有力的步骤，以激发人们对数学学问的兴趣和尊重。
现在，作为自然科学基金委数学天元基金学术领导小组组长，袁亚湘继续致力于改善青年科研人员环境，为他们提供稳定长期支持，以促进整个科技发展。这一切都体现了他对未来的一份美好展望，以及他坚信青年的潜力和未来的期待。
