朱棣文长年投身实验物理学，他在30岁便成为了加州大学伯克利分校的物理学博士后。在贝尔实验室工作数年之后，他先后在哈佛大学和斯坦福大学任教。1993年，他成为美国国家科学院院士。1997年，他在劳伦斯·伯克利实验室的激光冷却和原子捕获研究获得诺贝尔物理学奖。目前，朱棣文在加州大学伯克利分校任教，主要方向为分子层面的细胞生物学。
同时他在行政管理上亦有相当经验，曾在斯坦福大学领导物理学系，又曾在贝尔实验室领导电子化研究工作。自2004年起，他出任劳伦斯·伯克利国家实验室的负责人，该实验室每年预算规模6.5亿美元，辖下有4000名员工。
朱棣文在职业生涯中一直致力于环保工作。掌管劳伦斯·伯克利实验室后，朱棣文即把研究重点转到新型的生化能源、人工光合作用和太阳能等一系列“绿色工程”上。此外，他还大力提倡政府引进措施，减少排放温室气体。对于把环保理念引进家庭生活，朱棣文曾说每户国民只需投资1000美元成本就可提升能源效益，可惜的是民众多宁愿把钱花在花岗石的厨台上。
去年夏天，朱棣文在美国拉斯维加斯举行的全国清洁能源会议上说，除非能源工作由专业人士而非说客承担，否则提高能源利用效率、降低能源使用成本的目标将难以实现。