1988年，担任抗辐射加固技术专业组组长。

1991年，当选为中国科学院学部委员（院士）。

20世纪50年代，吕敏在王淦昌、张文裕、萧健先生指导下，利用宇宙线研究奇异粒子和高能核作用，先后两次到云南东北山区海拔3200米的“落雪”高山实验室工作，持续约两年，利用多板云雾室，收集高能核作用和奇异粒子的事例。获得了几万对云雾室照片，带回北京进行判读、分析。研究成果发表在《中国科学》《物理学报》等刊物上。这项研究工作是当年中国国内唯一有条件进行的基本粒子实验工作，后来与其他同志的工作一起获得1987年国家自然科学三等奖。

1959年，吕敏到前苏联联合所后，先在高能实验室、中能实验室进行基本粒子的实验工作，以后转到中子实验室从事脉冲反应堆的实验研究，测量脉冲反应堆脉冲功率统计起伏现象并研究了它们与功率的关系。

1961年，中苏关系破裂，前苏联政府突然撤走全部在华专家，中止援助中国发展原子弹的协议。听到使馆传达以后，在前苏联联合所工作的吕敏和其他几位同志一起向国内领导表示愿意放弃基础科学研究，回国参加中国自力更生发展核武器的事业。他们的要求获得领导批准，从此他的研究方向就转到了国防科学技术，开始从事军用核技术的研究。

1962年，吕敏回国后调到国防科委，参加核试验基地研究所的筹建工作，并开始第一次核试验的准备。在第一次核试验中，他具体负责测量核链式反应动力学参数，吕敏提出测量的物理方案，带领了一批比他更年轻、刚从大学毕业不久的同志们，在没有实验室、没有仪器设备的条件下，筹备反应动力学测量所需要的测量和标定的设备。在许多单位大力帮助下，终于按时完成了准备工作，现场测试成功，为理论设计部门提供了第一枚原子弹的实测数据。此后，不断改进仪器设备的性能，在几十次核试验中，提供了大量的链式反应动力学重要的实测数据。随着中国核武器水平的提高，核装置爆炸涉及的物理过程增加，其中聚变核反应起重要作用，这就要求在每次核试验中取得更多的实测数据，用以检查理论设计和计算的可靠性。同时中国的核试验已转到地下进行，核试验面临新的挑战，在这样的条件下，吕敏先后提出多项实时物理诊断测量项目及测量的基本物理方案，并指导年轻同志们加以实现。这些项目包括用飞行时间方法测量中子能谱从而获得聚变反应温度；通过针孔照相获得聚变反应区的形状和尺寸；利用电子对反应产生的正电子测量聚变反应的高能7射线；利用光纤阵列测量空间不同位置的温度参数等等。为了使每次竖井方式的地下核试验能够得到更多的实测数据，吕敏提出采用多测量项目钢架组合的核试验方案，并促进其实现，使竖井核试验中能够顺利地同时进行多项目物理测量，为每次核武器试验都获得丰富的数据创造了条件。

1986年，吕敏患重病到北京医治，病愈后留北京工作，在国防科工委系统工程研究所任研究员，主要负责武器和卫星的抗辐射加固技术研究，除组织领导工作外，在电子元器件单粒子效应、电子线路瞬态—辐照效应、元器件X射线剂量效应、X射线力学效应等方面提出了许多研究课题和研究途径的建议。在北京工作期间，吕敏还参加了军备控制的科学与技术研究，在核军备控制的理论、形势分析、趋势预测等方面写出了一些论文，并在中国国内和国际会议上报告交流。在军备控制的核查技术问题上进行过不少研究，对全面禁止核试验条约的核查、卫星核查技术等方面提出了有益的看法和建议。

吕敏的父亲是知名语言学家吕叔湘，但他没有继承父亲的文科专业，却选择了物理学科，为之工作了一生。

1990年，吕敏当选为中国核学会副理事长。

吕敏长期在新疆核试验基地工作，多次参加中国核试验，在核试验的物理诊断领域中长期从事系统的、开创性的工作，为提高中国核试验物理诊断水平，建立较完善的诊断体系作出了贡献。（中国科学院评）

吕敏所做的这些工作都取得了成功，使中国核试验水平大大提高，能够与美俄的核试验相比，为中国核武器发展做出了贡献。（何梁何利基金评）