1987年，朱棣文擔任斯坦福大學物理學教授，成為該校首任華裔教授。此後，五年的研究讓他達到了人生的製高點。1993年，朱棣文進入美國國家科學院。他當時從事的是關於原子冷卻技術的應用，朱棣文研究的就是世界上最尖端的激光製冷捕捉技術。在現實當中，這項技術有著廣泛的應用，對人類了解放射線物質間的相互作用有著深遠的意義。
在原子與分子的物理學研究中，原子低溫冷卻技術的研究十分困難。因為，即使在恒溫狀態之下，原子也仍然會以每秒上百公裏的速度移動，然後向周圍擴散，要想有效地俘獲原子，唯有冷卻。這項技術研究起來很難，但要形容起來確實很簡單。打個比方，一個漂亮的小球被噴泉噴到半空，再用某些特定技術讓那小球懸浮在空中，不讓他快速地落下，好讓遊人觀賞個夠。這項技術的關鍵，就是怎樣讓高速移動的原子球停留下來。
一般的冷卻技術，隻會讓氣體變成液體，甚至是直接地凝華，讓人類捕捉到氣體中的原子十分地不易。朱棣文等3位學者，他們利用激光冷卻技術，達到了讓氣體冷卻又不會液化成液體的效果。也就是利用激光束，使室溫達到萬分之一的絕對溫度，這時的溫度非常接近零下兩百七十三攝氏度。一旦達到這個溫度，原子移動速度就會非常地慢，極易被人類俘獲。有個這項技術，科學家們可以用來製造精密的電子元件，也可以用來測量萬有引力，可以應用於太空宇航係統中，進行衛星定位。
總之，朱棣文的這項研究成果為人類帶來很大的便利，所有的科學家都對朱棣文的這一研究成果豎起了大拇指。因為這項技術，朱棣文和美國科學家威廉·菲利普斯，法國科學家科昂·塔努吉，一同被授予1997年的諾貝爾物理學獎。據說，當朱棣文知道自己獲得了諾貝爾獎時，朱棣文表現得很平靜，仍安安心心地去上課。他說：“自己能夠獲得諾貝爾物理學獎，並沒有什麼驚喜，隻是覺得自己運氣比較好，還有很多比他優秀的科學家沒能獲得這個獎項。”
他的父母得知兒子獲得了諾貝爾物理學獎的時候，他們認為是一件很開心的事情，但更開心的是，兒子為中國人爭了光。朱棣文的父母說，自己的兒子為人誠樸，對獲獎等名利很淡泊，每一次獲獎，兒子都不會用炫耀的語氣說給自己聽。每一次的獲獎情況，都是他父母的好朋友從報紙上剪輯下來給他們看，他們才知道的。
從2004年起，朱棣文掌握了美國勞倫斯·伯克利實驗室，實驗室下科研工作人員達4000餘人，預計每年在工作室中投入6.5億美元。2008年12月15日，美國總統奧巴馬上台後，他提名朱棣文成為美國能源部的部長。第二年1月20日，美國聯邦參議員無異議通過奧巴馬關於朱棣文擔任美國能源部部長的提名。
致力於環保
在對物理學研究的同時，朱棣文還實施不忘對人類環保的研究。在掌握了勞倫斯·伯克利實驗室之後，朱棣文將工作的重點轉移到能源的問題上，他將為人類尋找新型的生化能源，將太陽能能源在內的“綠色工程”作為工作的中心。在開發新能源的同時，朱棣文還大力倡導政府改進排能措施，減少排放溫室氣體。
據悉，在這之前，朱棣文提出倡導尋找解決氣候變化大的科學方法和解決更新能源研究上的問題，這些使他逐漸成為能源利用和環境保護上的領袖人物。2009年1月底，朱棣文擊敗美國前環境保護署署長卡羅爾·布朗納爾，成為美國能源部部長。朱棣文在成為美國的能源部長之後，必須要和美國白宮理事會通力合作，才能在聯邦機構中製定出能源利用和應對氣候變化的政策。朱棣文還將負責美利堅聯邦政府能源政策的製定，能源行業的管理，能源技術的研究和開發，甚至包括防止武器擴散和研製等方麵的重要職責。