Depois de obter seu doutorado, ele permaneceu em Berkeley como pesquisador de pós-doutorado por dois anos antes de ingressar na Bell Labs, onde ele e seus vários colegas de trabalho realizaram seu trabalho de resfriamento a laser ganhador do Prêmio Nobel. Ele deixou o Bell Labs e se tornou professor de física na Universidade de Stanford em 1987, servindo como presidente de seu Departamento de Física de 1990 a 1993 e de 1999 a 2001. Em Stanford, Chu e três outros iniciaram o programa Bio-X, que se concentra na pesquisa interdisciplinar em biologia e medicina, e desempenhou um papel fundamental na garantia de financiamento para o Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia. Em agosto de 2004, Chu foi nomeado diretor do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, um Laboratório Nacional do Departamento de Energia dos Estados Unidos, e ingressou no Departamento de Física e no Departamento de Biologia Molecular e Celular da UC Berkeley. Sob a liderança de Chu, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley era um centro de pesquisa em biocombustíveis e energia solar. Ele liderou o projeto do laboratório Helios, uma iniciativa para desenvolver métodos de aproveitamento de energia solar como fonte de energia renovável para transporte.[3][4][5]
As primeiras pesquisas de Chu se concentraram na física atômica, desenvolvendo técnicas de resfriamento a laser e o aprisionamento magneto-óptico de átomos usando lasers. Ele e seus colegas de trabalho no Bell Labs desenvolveram uma maneira de resfriar átomos empregando seis feixes de laser opostos em pares e dispostos em três direções em ângulos retos entre si. Capturar átomos com este método permite que os cientistas estudem átomos individuais com grande precisão. Além disso, a técnica pode ser usada para construir um relógio atômico com grande precisão.[6]
Em Stanford, os interesses de pesquisa de Chu se expandiram para a física biológica e a física de polímeros no nível de uma única molécula. Ele estudou a atividade enzimática e o dobramento de proteínas e RNA usando técnicas como transferência de energia por ressonância fluorescente, microscopia de força atômica e pinças ópticas. Sua pesquisa em física de polímeros usou moléculas individuais de DNA para estudar a dinâmica dos polímeros e suas transições de fase. Ele também continuou pesquisando física atômica e desenvolveu novos métodos de resfriamento e captura a laser. Em 2020, ele é o Presidente do Comitê Científico da ESPCI Paris.[7][8]
