朱棣文早期的研究主要集中在原子物理學上，通過發展雷射冷卻技術和利用雷射對原子進行磁光俘獲。他和他在貝爾實驗室的同事們發明了一種冷卻原子的方法，即使用6束成對對置的雷射束，並以直角排列在三個方向上。用這種方法捕獲原子是科學家能夠非常精確地研究單個原子。此外，這項技術還可以用來構造一個非常精確的原子鐘。在史丹福大學，朱棣文的研究興趣擴展到了單分子水平上的生物物理和聚合物物理。
他利用螢光共振能量轉移、原子力顯微鏡和光鑷等技術研究了酶活性、蛋白質和RNA摺疊。他的聚合物物理研究使用單個DNA分子來研究聚合物動力學及其相變。他繼續研究原子物理學，並開發了雷射冷卻和俘獲的新方法。朱棣文對棒球、遊泳和自行車等運動感興趣。他在八年級時通過看書自學網球，三年來一直是校隊的第二個替補隊員。
他還自學如何用從當地地毯店買來的竹竿撐竿跳高。朱棣文說，他從未學過中文，因為他的父母總是用英語和孩子說話。朱棣文是1997年諾貝爾物理學獎的共同獲得者，他與克勞德·科恩·坦努基和威廉·丹尼爾·菲利普斯分享了「利用雷射冷卻和俘獲原子的方法的發展」。他是美國國家科學院、美國藝術科學院、美國哲學學會和中國科學院的成員，也是中國科學院和韓國科學與工程學院的外籍成員他還被亞歷山大·馮·洪堡發現的洪堡獎授予。
1995年。朱棣文在2007年畢業典禮上作主旨演講時獲得了波士頓大學的榮譽博士學位。他是設計期貨委員會的高級研究員。暗黑破壞神雜誌在2009年4月的一期雜誌中授予他一個生態獎，就在他被提名為能源部長後不久。賓夕法尼亞州立大學在2012年的畢業典禮上授予他榮譽博士學位。2014年，朱棣文獲得了威廉斯學院的榮譽博士學位，期間，他發表了由威廉斯學院教授主持的演講。
朱棣文還於2017年獲得阿默斯特學院榮譽博士學位，隨後於2018年3月舉辦了題為「氣候變化和可持續未來所需技術解決方案」的講座。朱棣文於2014年被選為英國皇家學會的外籍會員。朱棣文提出的雷射冷卻和俘獲原子的方法在1997年獲得諾貝爾物理學獎。他還開創了用於精確測量的原子幹涉測量技術的發展，並介紹了用光鑷同時顯示和操作單個生物分子的方法。在他的職業生涯中，他一直在尋找新的解決能源和氣候挑戰的方法。
2009年1月至2013年4月，他是歐巴馬總統領導下的第12任美國能源部長，並發起了高級研究項目署——能源、能源創新中心和清潔能源部長級會議。2009年1月20日，美國參議院一致確認了朱棣文被提名為能源部長。2009年1月21日，朱棣文宣誓就任歐巴馬政府的能源部長。朱棣文是第一位獲得諾貝爾獎後被任命為美國內閣成員的人。他也是繼前勞動部長趙依蓮之後第二位成為美國內閣成員的華裔美國人。然而，他的科學工作仍在繼續，他甚至在2010年2月發表了一篇關於引力紅移的論文和另一篇他在2010年7月合著的論文。