1967年2月，前往美国哈佛大学，在赫施巴赫（Dudley R. Herschbach）教授处从事博士后研究。

1968年10月，担任美国芝加哥大学化学系及佛兰克研究所（James Franck Institute）助理教授。

1971年10月，晋升为美国芝加哥大学副教授。

1972年，返台担任台湾清华大学教授半学年。

1973年1月，晋升为美国芝加哥大学教授。

1974年，返回美国加州大学伯克利分校任化学系教授、劳伦斯伯克利国家实验室主任研究员；同年，成为美国公民。

1975年，当选为美国艺术与科学院院士。

1979年，当选为美国国家科学院院士。

1980年，当选为台湾“中央研究院”数理组第十三届院士。

1986年，与美国哈佛大学赫施巴赫教授及加拿大多伦多大学波拉尼（John C. Polanyi）教授共同获得诺贝尔化学奖。

1994年1月15日，放弃美国国籍，回到台湾接替他的老师吴大猷教授担任“中央研究院”院长；9月，应行政院连战院长邀请入阁，担任“行政院”教育改革审议委员会主任委员兼召集人，任期直到1996年12月教改会解散。

1997年12月2日，委员会完成阶段性任务解散后卸任。

2003年，获得日本名古屋大学名誉博士学位。

2006年10月19日，“中央研究院”院长任期届满后卸任，由翁启惠接任。

2007年10月9日，天主教教宗本笃十六世任命李远哲为宗座科学院院士。

李远哲在博士期间研究电子激发的碱金属原子的化学离化过程（chemiionization processes of electronically excited alkali atoms）。在此期间，李远哲逐渐对离子—分子间作用以及分子散射的动力学（ion-molecule reactions and the dynamics of molecular scattering），尤其是利用交叉分子束研究反应动力学（crossed molecular beam studies of reaction dynamics）产生兴趣。

李远哲在化学动力学、动态学、激光化学等物理化学领域均有杰出表现，尤其交叉分子束技术的研究，独步全球，开创了化学动态学的新领域，阐明化学反应途径与机制。

1994年李远哲出任“中央研究院”院长，他对内主张扩大学术视野，整合学术资源，创造公平、合理、有活力的研究环境；对外主张推动学术合作，强化国际交流。 具体的措施是：釐定国家整体科技政策，募集杰出人才基金，培育优秀人才，延揽海外杰出人士回台湾从事尖端科技研究，参与国际学术活动等。

2002年，李远哲担任台湾行政院首席科技顾问，他认为高等教育成效不理想，于是提议增设高教审议委员会，随后并担任委员会召集人，将教改重心从中小学转至高等教育。2005年，李远哲主持会议，公布五年五百亿获奖学校。

李远哲的父亲李泽藩，1907年出生于台湾省新竹市武昌街，是一位画家与美术科系的老师；他的母亲蔡配是一位小学教师，出生于台湾省台中县梧栖镇；他的哥哥李远川，出生于台湾省新竹市，是美国约翰斯·霍普金斯大学生物学系教授；他的弟弟李远鹏，出生于台湾省新竹市，先后在台湾清华大学、台湾交通大学任教多年，并被台湾“中央研究院”原子与分子科学研究所聘为研究员。兄弟三人（李远川、李远哲、李远鹏）都是台湾“中央研究院”院士。

李远哲与太太吴锦丽（BerniceWuChin-li）在小学时相识，他们育有两儿一女：长子Ted（1963年出生，新闻业）、次子Sidney（1966年出生，医生）、长女Charlotte（1969年出生，社会学家）。

李远哲“是好人，但也会做坏事”， “没有领袖风格，只能做科学”，不应把他（李远哲）“捧上天”。（李敖在2005年出版的书籍《李远哲的真面目》中评）

李远哲为人温恭敦厚，治学严谨踏实，服务人群，任劳任怨；其道德、学问、事功洵足以表率群伦，对于母校（台湾大学）、社会、国家，乃至全世界均有重大贡献。（台湾大学评）

李远哲对化学动力学研究有卓越的成就，除领导学术研究外，更推动台湾科学扎根，并积极从事教改，于人类学术之进步及台湾教育的奠基厥功甚伟。（台湾交通大学评）

李远哲将其1986年所获得的诺贝尔化学奖证书及奖章，捐赠给台湾历史博物馆，于常设展中展出。