Pada tahun 1959 ia bergabung dengan American Science and Engineering, sebuah perusahaan penelitian dari Massachusetts, di mana ia bekerja dalam astronomi sinar X. Timnya mengembangkan teleskopsinar X dan meluncurkannya ke roket. Pada tahun 1962 mereka menemukan Sco X-1, sumber sinar X pertama yang diketahui ada di luar sistem tata surya. Lalu mereka membangun observatorium sinar X pengorbitan UHURU dan membuat survei pertama pada udara sinar X. Mereka menemukan "bintang" sinar X 339, yang sebagian besar dihentikan karena bahan yang jatuh ke lubang hitam dan bintang neutron. Di antaranya adalah Cygnus X-1, objek pertama yang umumnya disetujui sebagai lubang hitam. Mereka juga menemukan emisi sinar X dengan menggunakan gas panas di lingkaran galaksi.
Giacconi meneruskan bekerja pada radiasi sinar X selama bebrapa tahun menggunakan sejumlah observatoriumsatelit. Bergabung dengan Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics pada tahun 1973, Giacconi memimpin pembuatan dan operasi yang berhasil atas observatorium sinar X yang kuat, HEAO-2, juga dikenal sebagai Einstein, yang membuat gambar yang lebih rinci atas sumber sinar X.
