胸怀一颗拳拳报国心，2008年施一公教授回到清华大学开始全职工作，婉拒了霍华德休斯研究员的优厚待遇，并于同年辞去普林斯顿大学终身教职。

施一公教授的研究内容主要是运用分子生物学手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机理，其研究成果所获国际专利中的一项已开始针对癌症晚期患者的临床试验。

在回国短短两年半的时间里，他带领着博士研究生在国际前沿基础研究领域做出了一系列重大研究成果，以通讯作者在世界顶尖学术期刊《科学》、《自然》和《细胞》上发表了5篇论文，他领导下的清华大学结构生物学中心已经成为世界瞩目的一流研究中心。

施一公教授的研究工作得到国际同行广泛认可，2003年被国际蛋白质学会授予鄂文西格青年科学家奖，成为二十年来唯一获此殊荣的华裔学者。

2009年，施一公教授入选美国科协（AAAS）Fellow。2010年4月，施一公教授荣获赛克勒国际生物物理学奖。