2005年，加盟加利福尼亚大学旧金山分校（University of California, San Francisco），担任终身正教授。

2011年，全职回国，担任北京大学讲席教授、前沿交叉学科研究院执行院长、定量生物学中心主任。

2013年，创刊《定量生物学》，并任共同主编。

2019年11月，当选为中国科学院院士。

2021年，担任了国家自然科学基金委员会交叉科学部首任主任。

汤超多年来着力用物理学思想及方法研究生物问题，探索生命系统中的定量规律和设计原理。主要工作包括提出自组织临界性科学思想、提出蛋白质折叠中的统计物理理论—可设计性原理、揭示复杂生物网络背后的普适性原理、提出生物系统鲁棒性的理论解释、发现细胞在生长分裂和命运决定中的策略并提出相应的理论模型等。

汤超于1987年提出自组织临界性的概念及理论，在非平衡统计物理与复杂系统方面开创了一个新领域；1996年将统计物理思想引入蛋白质折叠理论，提出可设计性原理；2004年将非线性科学的理论应用到生物调控网络的研究，提出了生物系统稳定性的理论解释；2006年利用系统生物学的方法研究生物网络功能模块，发现生物功能对网络拓扑结构存在强限制；2009年用理论与计算的方法研究生化适应性网络，找出了其中具有普适性的设计原理；2013年与邓宏魁合作提出干细胞重编程的“跷跷板模型”。

2009年8月，汤超课题组和加州大学旧金山分校Wendell Lim课题组合作作为封面文章刊登在杂志《细胞》上（Defining network topologies that can achieve biochemical adaptation. Wenzhe Ma, Ala Trusina, Hana El-Samad, Wendell Lim, and Chao Tang. (2009) Cell, 138, 760－773），研究揭示了生物适应性在生物网络层次上是如何实现的。

2013年5月，汤超研究组与北京大学生命科学院邓宏魁研究组合作，于《细胞》（Cell）期刊以封面文章形式在线发表研究论文“Induction of pluripotency in mouse somatic cells with lineage specifiers”，首次证明小鼠体细胞重编程可由调控分化的基因完成，并在此基础上提出细胞命运转变的“跷跷板模型”。

2016年，汤超由国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）统计物理专业委员会（C3）委员汤雷翰推荐，在法国里昂举行的第26届国际统计物理大会上做大会邀请报告。

汤超把导师卡达诺夫既自由宽松又严谨深入的培养理念“复制”到定量生物学中心和北大—清华生命科学联合中心的学生培养、科研人才管理与招生等各个方面。他多次用“科学品味”形容对学生的要求。“科学品味是对科学问题的敏感性，知道如何提出一个好的科学问题。”在他看来，自由宽松的氛围还有助于孕育思辨精神、对科研的热情，这些与知识技能同等重要。

汤超认为，只要课程设计得好，整合科学方向的学生就能打下既广又深的基础。各学科自成体系与互相融合，这两种教学方法本无所谓哪个更好，哪个更不好，只是以前完全强调分开，很少强调整合。现在把一些课程整合起来，可能会对一些有学科交叉思维的新的科学前沿会有更大帮助。

汤超带着热情和责任感不断推动交叉学科和定量生物学研究在中国的建立和发展。（北京大学前沿交叉学科研究院评）

汤超以独特的“科学品味”，致力于用物理学思想方法研究生物问题，带领一大批学科带头人和年轻学术骨干，在开展各项前沿问题研究与科学技术攻关方面取得一系列重大研究进展。（北京大学评）