在普林斯顿大学，他运用结构生物学、生物物理和生物化学手段，研究癌症发生和细胞凋亡的分子机制。迄今为止，他在国际权威学术杂志发表学术论文百余篇，其中作为通讯作者在《细胞》发表11篇、《自然》发表7篇、《科学》发表3篇，这些工作系统地揭示了哺乳动物、果蝇和线虫中细胞凋亡通路的分子机理，已有若干研究成果申请专利，用于治疗癌症的药物研发。
2003年，由于在细胞凋亡和TGF-信号传导等领域的杰出工作，破解了这一类生命科学之谜，当时年仅36岁的施一公获得全球生物蛋白研究学会颁发的“鄂文西格青年研究家奖”，成为这一奖项设立17年以来首位获奖的华裔学者。
2005年，当选华人生物学家协会会长。
2010年，施一公获赛克勒国际生物物理学奖。赛克勒国际生物物理学奖（THE RAYMOND & BEVERLY SACKLER INTERNATIONAL PRIZE IN BIOPHYSICS）是由赛克勒夫妇捐赠设立，自2006年以来，每年奖励两到三位在国际生物物理学领域做出卓越成就、年龄在45岁以下的杰出科学家。
2013年4月30日，清华大学施一公教授当选2013年美国科学院外籍院士。此前2013年4月25日，他还当选美国人文与科学学院外籍院士。耶鲁大学终身冠名教授邓兴旺和陈雪梅、杨薇等三名华裔美籍科学家，当选美国科学院新科院士。
2014年3月31日，施一公获瑞典皇家科学院爱明诺夫奖，奖励他过去15年运用X-射线晶体学在细胞凋亡研究领域做出的杰出贡献。施一公是首位获得该奖的中国科学家。
2014年4月3日在瑞典皇家科学院年会的颁奖典礼上，中科院院士、清华大学教授施一公获得2014年爱明诺夫奖，并成为首位获得该奖的中国科学家。瑞典国王卡尔十六世·古斯塔夫为施一公颁奖，以奖励其在过去15年间运用X射线晶体学在细胞凋亡研究领域作出的杰出贡献。据介绍，爱明诺夫奖由瑞典皇家科学院于1979年设立，用以奖励在晶体学领域作出重大贡献的科学家。该奖项每年颁给不超过3名科学家，施一公是2014年该奖项唯一获奖人。施一公是国际著名结构生物学家。自1998年以来，他领导的实验室主要结合X射线晶体结构生物学和生物化学手段，系统研究了细胞凋亡的发生和调控机制。他们的科研成果不仅清晰地揭示了细胞凋亡通路中的一系列分子过程，基于该研究的一项专利成果也已被转化为治疗癌症的新药进入二期临床试验。
2015年12月8日，在《自然》杂志举办的“2015科研·创新·创业国际研讨会”上，施一公被授予2015年《自然》杰出导师奖。
2016年3月25日，“影响世界华人盛典”在北京清华大学举行，施一公获“影响世界华人大奖” 。
