Pour raisons de santé, Halban fut obligé de prendre sa retraite en 1961. Il passa les trois dernières années de sa vie à Paris et à Crans-sur-Sierre, en Suisse, avec sa troisième femme, Micheline (nėe Vernier-Lazard et petite-fille d'André Lazard associé de Lazard Frères et l'un des fondateurs avec Marie Curie de l'Institut Curie).
Il mourut le 28 novembre 1964 de complications à la suite d'une opération cardiaque sans succès, à l'hôpital américain de Paris, laissant trois enfants : Catherine Maud, de son premier mariage, Pierre et Philippe de son second. Il est enterré à Larchant, près de Paris.
Contrairement à ses attentes, Halban ne fut pas réinvité au Collège de France après la guerre. Par contre, il fut invité en Angleterre par Frederick Lindemann (Lord Cherwell) pour diriger un groupe du laboratoire Clarendon à l'université d'Oxford, en liens étroits avec l'Etablissement de recherche atomique d'Harwell.
Après huit années productives à Oxford, Halban fut réinvité en France en 1954 par le premier ministre Pierre Mendès France, pour diriger la construction d'un laboratoire de recherches nucléaires à Orsay, au sud de Paris, à proximité du centre de Saclay du Commissariat à l'énergie atomique (CEA). Il accepta cette nomination en 1955, suite au divorce d'avec sa femme Aline, qui se remaria peu après avec Isaiah Berlin. Ce laboratoire sera le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL), dont il prend la direction à la suite de Frédéric Joliot-Curie 1958.
En 1940, James Chadwick envoya les travaux de Halban et Kowarski de Cambridge à la Royal Society. Il lui demanda de garder les papiers, car il ne convenait pas de les publier pendant la guerre.
En 2007, la Société découvit les documents pendant un audit de leurs archives.