2001年1月下旬的一天，在美国旧金山的家中，徐芑南接到来自中国无锡的越洋电话。电话是中国工程院院士、原中船第702研究所所长吴有生打来的。他兴奋地告诉徐芑南：“老徐，7000米载人潜水器正式立项了，我们想来想去，决定请你回来，这个总设计师非你莫属！”

徐芑南夫人方之芬回忆说：“当时接到电话，徐芑南一个劲地说，来不及了，要赶快回所里！” 他不想让自己在有生之年留下遗憾，可是家人全部反对。当时他已经退休5年，还身患心脏病、高血压、偏头痛等多种疾病，回国担任这么大项目的总设计师，身体健康的人恐怕都难以承受，更何况一个疾病缠身的老人。

徐芑南对一向最懂自己的母亲说：“我一辈子的梦想，就是为国家造出最好的潜水器。一思考潜水器的问题，我的头就不痛了，不思考就痛。现在国家需要我，我觉得我还是接下这个任务吧。” 年近九旬的老母亲同意了，说：你去做吧，不让你去做，你会生病的。带着创造“中国深度”的梦想，徐芑南回到702所。一同归来的，还有他的夫人方之芬。夫妇俩把家安在了702所老宿舍楼里，一住就是10年。

按照国家“863计划”重大专项总设计师的任职要求，总设计师的年龄不能超过55岁，而徐芑南当时已经65岁。为此，科技部特地为他破例。对徐芑南来说，担任总设计师是一份责任，更是自己梦想的延续，他说：“虽然我当时已退休5年，但是为了圆梦，我还是愿意多出一份力，多尽一份心。”

我国以前研制的载人潜水器最深只能下潜600米，要让一个载人深潜器，在短短数年之内就实现从600米到7000米深度的跨越，并非易事。面对复杂的海洋环境，要想达到7000米深海区，要求深潜器上的所有设备必须承受相当于70兆帕的压力，载人球舱还要保持一个恒定大气常压，总体、结构、动力、机械、生命支持系统、水声通信系统、水声定位系统、视频系统等12个分系统，涉及到多种技术领域的前沿科技，联合中国科学院自动化院和声学所等上百家科研单位进行协罚攻关，各种事务可谓千头万绪，统筹这些系统和复杂元素都是作为总师的工作。徐芑南用12个字概括这一设计理念：下得去、能干活；上得来，保安全。实用、安全这两个原则始终贯彻在潜器全过程。由于国外技术封锁，“蛟龙号”从最初的设计到最终的海试，都是由徐芑南和同事们自主研发完成。

“蛟龙号”立项之后，面临的最大难题就是专业人才缺乏。徐芑南在研制过程中组建起一支年轻人为骨干的设计师系统团队，12个年富力强的分系统的总师后面还有更年轻的人才成长起来。有的设计人员亲自进入蛟龙号下潜，24岁的叶聪不但是总布置分系统主任设计师，还是蛟龙号首席潜航员。后来成为万米载人深潜器“奋斗者”号的总设计师、万米海试总指挥。在克服了各种困难后，“蛟龙”号一浮出水面，就吸引了世界的目光。2009年，“蛟龙”号第一次海试。彼时已73岁的徐芑南坚持登上“向阳红9号”工作母船，为海试“护航”。上船时，他所携带的花花绿绿的药品和氧气机、血压计等必备器械装满一个拉杆箱，“吃药就和吃饭一样”。

母船“向阳红9号”是一条旧船，条件很差，在长达40多天的海试中，叶菜只维持了两个星期，在随后的日子里，徐芑南和大家一样，每天吃的不是土豆烧萝卜，就是萝卜烧土豆。每次潜水器下潜，徐芑南从不坐在指挥室里，而是一连几小时值守在水面控制室，盯着海面，不放过水声通信传回来的每一句语音。当“蛟龙号”完成首次1000米海试，大家欢呼雀跃之际，劳累过度的徐芑南突发心绞痛，脸色苍白，虚汗淋漓。看着大家紧张的表情，他忙安慰说：“没事的，你们忙吧，我躺一会儿就好了。”

2011年，“蛟龙号”冲刺5000米深海，完成136项科学实验，还采集到了素有“海底黑色黄金”之誉的锰结核矿石。一年后，“蛟龙号”成功突破7020米，下潜最深达7062米，不但刷新我国载人深潜新纪录，还创造了世界深潜奇迹。这标志着我国系统地掌握了大深度载人潜水器设计、建造和实验技术，成为继美、法、俄、日之后世界上第5个掌握大深度载人深潜技术的国家。