1962年，丁肇中离开密西根大学后，为更好地进行物理学研究，前往离母亲墓园较近的哥伦比亚大学，在尼文斯实验室工作。在哥伦比亚大学工作的一年多时间里，他在物理学家杨振宁、李政道、吴健雄等人手下工作，并把大量的时间花在实验工作上，通过研究微观物理，最终发现了“重氢分离子”。1963年，获得福特基金会资助后，前往瑞士日内瓦，在欧洲核子研究中心（CERN）工作。1964年，被哥伦比亚大学任命为物理学讲师，继而又应哥伦比亚大学首席实验物理学家利昂·莱德曼的邀请，于1965年春，从欧洲回到美国，参加由黎德曼教授担任主任的实验小组，同时，还参与了普林斯顿大学与宾州大学合办的加速器实验室的工作。在黎德曼教授帮助下，丁肇中耗时半年，研究出“抗氢同位素”。这一发现让他在美国引发关注，由此在科学界展露锋芒。

1965年秋，丁肇中得到联邦德国汉堡电子同步加速器研究中心（DESY）主任捷特斯克的邀请，去那里主持进行一项用电子和正电子碰撞制造重光子的实验。1966年春，在他准备去汉堡进行重光子研究之际，粒子物理学界传出消息称，哈佛大学和康奈尔大学的同行们先后做过一项实验，认为量子电动力学不可靠。丁肇中对此并不认同，他经过连续几个昼夜的研究后，后向利昂·莱德曼教授提出修证并证实这一实验的建议和方案。当时，黎德曼认为，丁肇中不仅从未用过那样复杂的电子仪器，而且他更没有自己的助手和资金，若要成功，难度很大。但是丁肇中还是同汉堡的电子同步加速器研究所负责人韦伯和捷特斯克联系，韦伯和捷特斯克两位教授非常支持丁肇中的方案，并欢迎和力促他到汉堡同步加速器研究所，进行这项试验。丁肇中到汉堡后，仅用不足10个月的时间，便取得实验成功。此次试验不仅澄清了过去未能澄清的问题，证实了“量子电动力学”的正确性，还奠定了丁肇中在国际实验物理学界的地位，汉堡同步加速器研究所由此为他保留了“客座”待遇。之后，在斯坦福大学举行的关于基本粒子的国际性学术会议上，丁肇中应邀作了专题报告，受到多家美国大学的聘书邀请。在麻省理工学院答应为他拨款筹建实验室后，他答应了麻省理工学院的聘书。

1967年夏，丁肇中来到麻省理工学院，任物理系副教授，并亲自挑选人才，把两批实验物理学家安排在美国、联邦德国这两个不同的地域开始研究探索重光子。为了发现新粒子，他带领同事们用很大能量的光束轰击原子核，制造没有电荷的ρ的矢量介子；观测ρ、ω两个矢量介子之间的关系；并验证理论物理学家们对重光子的学说。1969年，在苏联莫斯科杜布诺研究所召开的国际性基本粒子学术研讨会上，他作了《矢量介子和电碰相互作用》的综述报告，引起物理学界同行们的赞叹。1969年，作为粒子物理实验组主任的丁肇中，被麻省理工学院起任为物理系教授。1970年，被聘任为美国物理协会粒子合场研究项目顾问，并担任《核物理通报》副编辑。同年，经与同事们商讨、研究后，决定在世界上三个高能实验基地上，同时开展寻找重光子的方案，即：一组在德国汉堡同步加速器研究所；一组在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心；再一组为整个研究工作的中心，在美国纽约长岛的布洛克海文国立实验所。1971年，丁肇中着力推进这项大实验的筹建工作。1972年至1973年间，他带领团队制造了多台探测器，但实验未有进展。

1974年，丁肇中发现了一个质量约为质子质量3倍（质量为3.1×109eV）的长寿命中性粒子，并以物理文献中习惯用来表示电磁流的拉丁字母“J”将新粒子命名为“J粒子”（丁肇中对该粒子命名的解释：由于英文字母的“J”通常代表电流，而这种新粒子在分解时又产生了正负电子，因此，就叫它为“Jparticle”，即“J”粒子）。同年，斯坦福大学的里克特教授也发现了该粒子。J粒子的出现，表明当时的基本粒子理论出现重大漏洞，成为基本粒子科学的重大突破。1975年，当选美国艺术与科学学院院士。1976年，丁肇中和里克特凭借J粒子，双双获得诺贝尔物理学奖。

1977年，丁肇中出任托马斯·达德利·卡伯特讲座教授。同年，他在访华期间，向邓小平同志建议中国科学院派遣物理学家参加他在德国汉堡进行的MARK－J实验。1978年，成为美国国家科学院院士，以及美国艺术科学学会会员。同年，他领导一个包括中国在内的国际合作组——马克·杰组，在汉堡电子同步加速器中心，在佩特拉对撞机上进行了高能正负电子对撞的物理实验。1979年夏，该组发现了三喷注现象，为胶子的存在和量子色动力学提供了实验依据。此外，这个组还进行了高能量下量子电动力学的实验检验及电磁作用与弱作用干涉效应的实验证明，后一工作为电弱统一理论提供了实验证据。1981年起，丁肇中组织和领导了一个国际合作组——L3组，准备在欧洲核子中心的高能正负电子对撞机LEP上进行高能物理实验，寻找新粒子，特别是电弱理论预言的黑格斯粒子，并研究Z0及其他粒子物理新现象。

1995年，丁肇中领导了12个国家参与的大型国际合作项目：阿尔法磁谱仪实验，在太空中寻找暗物质和反物质。1998年6月，阿尔法磁谱仪搭载美国“发现号”航天飞机成功进行首次飞行。2011年5月，丁肇中主持建造的第二台阿尔法磁谱仪（AMS—02），搭载奋进号航天飞机升空（STS-134），开始了它在国际空间站的使命：寻找反物质和暗物质。2013年4月，丁肇中首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目18年的第一个实验结果：已发现的40万个正电子可能来自一个未知之源，可能是脉冲星或人们一直寻找的暗物质。2016年12月，阿尔法磁谱仪（AMS）项目在发布五年太空实验的结果，以前所未有的精度探测了宇宙线中正电子流强，正电子比例，反质子-质子比，以及电子、正电子、质子，反质子、氦核以及其它核子的流强，改变了人类对宇宙线的认识。

丁肇中教授长期从事高能物理实验，精确检验量子电动力学、量子色动力学和电弱统一理论，寻找新粒子和新的物理现象，取得了一系列重大成果。他在学术上的主要贡献有：（1）反氘核的发现；（2）25年来进行了一系列检验量子电动力学的实验，表明电子、μ子和τ子是半径小于10~16厘米的点粒子；（3）精确研究矢量介子的实验；（4）研究光生矢量介子，证实了光子与矢量介子的相似性；（5）J粒子的发现；（6）μ子对产生的研究；（7）胶子喷注的发现；（8）胶子物理的系统研究；（9）μ子电荷不对称性的精确测量，首次表明标准电弱模型的正确性；（10）在标准模型框架内，证实了宇宙中只存在三代中微子。

丁肇中组织和领导的国际合作组--L3组，在欧洲核子中心进行高能物理实验。L3组共有包括中国在内的约13个国家近600名物理学家参加。自该项目运行以来，L3实验共发表了约300篇文章，有约300人因这一研究工程而获博士学位。

丁肇中热心培养中国高能物理学人才，经常回国选拔年青科学工作者去他所领导的小组工作；先后受聘为中国科学技术大学名誉教授，中国科学院高能物理研究所学术委员会委员等。

丁肇中的学术思想的特点是，在科学研究中非常重视实验，他认为，物理学是在实验与理论紧密相互作用的基础上发展起来的，理论进展的基础在于理论能够解释现有的实验事实，并且还能够预言可以由实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相矛盾时，就会发生物理学的革命，并且导致新理论的产生。他根据近四分之一世纪以来物理学的历史和他亲身的经验指出，许多重要实验，例如K介子衰变中电荷共轭宇称与宇称复合对称性(CP)不守恒的发现，J粒子的发现，以及高温超导体的发现，开辟了物理学中新的研究领域，但这些实验发现都是预先在理论上并没有兴趣的情况下作出的。又如高能加速器实验近年来作出的有关粒子物理的基本发现，除W粒子和Z粒子外，几乎都是在加速器开始建造时未曾预言过的。他强调，没有一个理能够驳斥实验的结果，反之，如果一个理论与实验观察的事实不符合，那么这个理论就不能存在。他重视科学实验的观点，对科学工作者是很有教益的。他认为，自然科学的研究是具有竞争性的，只有第一名，第二名就是最后一名。此外，他还认为，任何科学研究，最重要的是要看对于自己所从事的工作有没有兴趣，换句话说，也就是有没有事业心。

丁肇中和露易丝·凯慧（Louise Kuhne）相识于密歇根大学举办的优秀学生聚餐会上。彼时，丁肇中已经大学毕业，而凯慧则是尚未毕业的建筑系女学生，凯慧是美籍西德人。1960年，丁肇中和凯慧结婚，婚后育有二女：丁明隽（Jeanne）和丁明美（Amy）。

1985年，丁肇中与苏珊·卡洛·马克思（Susan Carol Marks）博士结婚，1986年，生下儿子丁明童（Christopher）。

你的实验已经在天上了，希望你常回国来。（时任中国国家主席、中央军委主席、中共中央总书记胡锦涛总书记 评）。

丁教授从事的反物质、暗物质研究是一个创举，能够揭示宇宙产生的根源，对世界文明、人类发展的贡献非常大，也为华人争光添彩。（黑龙江省委书记王宪魁 评）

丁肇中是一个极其谨慎的人，对实验的所有细节都很在意。（诺贝尔物理奖获得者伯顿·里克特 评）

丁肇中教授的研究，已为人类开拓了宇宙未知的领域，并使基本粒子物理学迈进到了一个新的境界。（时任麻省理工学院院长杰米韦森 评）

现实中，有些年轻人取得一点成绩就沾沾自喜，贪图享受。而真正的科学道路没有休止符，只有加油站。丁肇中这种永不言退、献身科学、追求科学真理的态度，永远是年轻人学习的典范。（新加坡南洋理工大学高等研究所所长潘国驹 评）

丁肇中为了中国高能物理的发展，经常来中国从事学术交流和参观访问，介绍国际高能物理的发展，努力促进国际物理学界同中国物理学家合作。为中国培养了一批实验物理的科研人才。（人民网 评）

高能物理中有许多超级聪明与超级自我的科学家，丁肇中在这两方面都鲜有对手。（《经济学人》 评）

丁肇中对细节的执着导向了他充满控制欲的管理风格。（《自然》杂志 评）

丁肇中是首位在诺贝尔颁奖礼上，使用中文演讲的科学家，他的诺贝尔奖获奖答词，也是当时唯一一份采用中文手写的诺奖答词。

2018年7月，山东省日照市科技馆想把丁肇中科学生涯中6个著名实验模型做出来展示，并请设计师打造模型。当设计师汇报方案时，丁肇中仔细审阅方案中的细节。在两次汇报会，他通过质疑、纠错，再质疑、再纠错，共为AMS阿尔法磁谱仪模型的设计方案纠错42处，诠释了严谨的科学精神。

丁肇中对自己熟悉领域的提问，总是滔滔不绝、耐心细致地回答，但无论是记者还是学生的提问，若是请他对自己不熟悉的领域发表评论时，他总是毫不犹豫、面带微笑地诚恳回答：“我不知道。”每次作报告，丁肇中都对此疑问作了解释：虽然自己得了诺贝尔物理学奖，而诺贝尔奖又被认为是科学界最重要的奖项，但这只代表自己对物理有贡献，绝不能代表对任何事都有贡献，对任何事都有能力，很多问题我的确不知道，所以，我认为我没有资格回答。我的全部时间几乎都是在实验室里度过的，15年来，我做的只有一件事，那就是在宇宙中寻找反物质。跟我在一起工作的有600多位教授，我对他们的唯一要求就是谈论和物理有关的话题，其他话题一概免谈，我既不了解，也不感兴趣。集中精力做一件事，这样就可以在回答其他问题时坦然地说：“我不知道。”他强调说：“科学家不说假话。”2023年5月，丁肇中在由中国科学院高能物理研究所主办的高能论坛上，他还展示了当年他获得诺奖后，其好友、诺贝尔物理学奖得主费曼给他发来的贺信中的一句话：“不要因为获奖，就认为自己变成专家了。”