1987年，担任斯坦福大学物理和应用物理教授，是该校第一位华裔教授。

1987年—1988年，担任哈佛大学莫里斯洛伯讲师。

1989年，担任实验天体物理联合研究所特邀访问学者。

1990年—1993年，担任斯坦福大学物理系主任。

1992年，当选为美国艺术与科学院院士。

1993年6月，当选为美国国家科学院院士。

1997年，与美国科学家威廉·丹尼尔·菲利普斯（William Daniel Phillips）和法国科学家科昂·塔努吉（Claude·Cohen～Tannoudji）共同获得诺贝尔物理学奖，是继1957年的杨振宁、李政道，1976年的丁肇中和1986年的李远哲之后，第五位获诺贝尔奖的华裔科学家；11月2日，正在美国访问的江泽民主席在洛杉矶会见了朱棣文。

1998年6月5日，当选为中国科学院外籍院士。

2004年6月，被任命为位于加利福尼亚州的美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室主任，是首位掌管该实验室的亚裔人士。

2008年12月15日，获得美国第44任总统贝拉克·侯赛因·奥巴马（Barack Hussein Obama）提名出任美国第12任能源部长。

2009年1月20日，美国联邦参议院无异议通过朱棣文担任能源部长的提名；7月14日至7月17日，美国能源部长朱棣文和商务部长骆家辉联袂访华，这是中美两国关系史上第一次有两位华裔部长同时访华。

2013年2月1日，向总统奥巴马提出辞职。

朱棣文由于在激光冷却和捕陷原子方面的独立的、开拓性的研究，与美国科学家威廉·丹尼尔·菲利普斯（和法国科学家科昂·塔努吉伙同获得1997年度诺贝尔物理学奖。1985年，他与同事用一组交叉激光束产生了“光粘胶”效应，在光粘胶中靶原子的速度由每小时4,000km降至每小时1km，好像原子穿过稠密粘浆而运动一样。减速后的原子的温度接近绝对零度（—273.15℃或—459.67℉）。他与同事还发展了一种使用激光与磁线圈的原子阱，可捕陷并研究冷却的原子。这些技术使科学家可提高用于空间导航的原子钟的精度，建造可准确测量重力的原子干涉仪，并设计出可用于处理极细尺度电子线路的原子激光器。

1990年，朱棣文受邀美国物理学会和美国物理教师学会的理直脱迈耶纪念奖讲演。

2009年7月15日，在清华大学发表演讲，呼吁中美携手应对全球气候变暖问题。

2010年11月15日，在上海同济大学嘉定校区发表题为《推动创新，应对能源和气候挑战》的演讲，探索双方未来如何开展清洁能源技术合作。

朱棣文认为：“要成为一名优秀的物理学家，首先要有好奇心，对自然界的好奇、对普通事物的好奇”。

朱棣文的祖父朱祝年是江苏苏州太仓城厢镇的一位读书人，重视培养后代。大姑妈朱汝昭早年曾留学日本；二姑妈朱汝华早年留学美国任芝加哥大学化学工程教授，是中国第一代化学家；三姑妈朱汝蓉，1943年留学美国攻读化学，也是一名化学教授。

朱棣文的父亲朱汝瑾1940年毕业于清华大学化工系，1943年留美就读麻省理工学院，1946年获该院化工博士，先后任美国圣路易、纽约及新泽西的3所大学教授，历任美国和欧洲多家石油、化学、导弹、核子工程及太空公司的顾问；其母李静贞出生于天津一名门之家，1945年清华大学经济系毕业后去美国麻省理工学院攻读工商管理。朱棣文的外祖父李书田毕业于天津大学，1923年公费留美，回国后投身教育事业，曾任国立贵州农工学院，天津大学校长，国民政府教育部长。

朱棣文的哥哥朱筑文是麻省理工学院博士，斯坦福大学医学系教授；弟弟朱钦文21岁就获得了政治学博士学位，后进入哈佛大学法学院深造，是洛杉矶一家律师事务所的合伙人。

朱棣文与妻子吉恩是在斯坦福大学的网球场上认识的。

朱棣文是一位卓越的朋友和出色的同事，他在2010年以“盖帽堵油”方法解决了墨西哥湾原油泄漏事件，他对美国新能源产业发展和减少对石油进口依赖做出了贡献。（美国第44任总统贝拉克·侯赛因·奥巴马评）

朱棣文是在中西文化共同浸染下成长起来的，他继承了中西文化的精髓，他的内心深处既有西方人的率真、幽默，也有东方人的谦虚、含蓄。（《中国经济时报》评）

1999年，江苏太仓人民为了表达对朱棣文的崇敬，征得朱棣文同意，创办了以朱棣文个人名字命名的小学。