1953年8月，袁隆平毕业于西南农学院（现西南大学）农学系。服从全国统一分配，到湖南省怀化地区的安江农校任教。同年被分配到偏远落后的湘西雪峰山麓安江农校教书
1953年8月—1971年1月，袁隆平任湖南省安江农业学校教员。
1960年7月，袁隆平在农校试验田中意外发现一株特殊性状的水稻。他利用该株水稻试种，发现其子代有不同性质。因为水稻是自花授粉的，不会出现性状分离，所以他推论该为天然杂交水稻。随后他把雌雄同蕊的水稻雄花人工去除，授以另一个品种的花粉，尝试产生杂交品种 。
1961年春天，袁隆平把这株变异株的种子播到创业试验田里，结果证明了1960年发现的那个“鹤立鸡群”的植株，是“天然杂交稻”。他当时是一个安江民校的教师，但面对当时严重饥荒，他立志用农业科学技术击败饥饿威胁，从事水稻雄性不育试验。
1964年7月5日，袁隆平在试验稻田中找到一株“天然雄性不育株”，经人工授粉，结出了数百粒第一代雄性不育株种子 。
1965年7月，袁隆平又在14000多个稻穗中逐穗检查到6株不育株，并在此后两年播种中，共有4株成功繁殖了1～2代。其研究彻底推翻由传统经典理论米丘林、李森科的“无性杂交”学说，并推论水稻亦有杂交优势。通过培育雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系的三系法途径来培育杂交水稻，可以大幅度提高水稻产量 。
1964年到1965年，两年的水稻开花季节里，袁隆平与科研小组在稻田进行杂交育种试验。后在稻田里找到了6株天然雄性不育的植株。经过两个春秋的观察试验，对水稻雄性不育材料有了较丰富的认识，根据所积累的科学数据，在大学毕业工作12年左右的他，发表在1966年第17卷第4期《科学通报》上。
1965年7月，袁隆平又在安江农校附近稻田的南特号、早粳4号、胜利籼等品种中，逐穗检查14000多个稻穗，连同上年发现的不育株，共计找到6株。经过连续两年春播与翻秋，共有4株繁殖了1～2代。
1966年2月28日，袁隆平发表第一篇论文《水稻的雄性不孕性》，刊登在中国科学院主编的《科学通报》半月刊第17卷第4期上。5月，国家科委九局局长赵石英同志，获悉袁隆平发表的《水稻的雄性不孕性》一文后，引起高度重视，以科委九局名义致函湖南省科委与安江农校，支持袁隆平的水稻雄性不育研究活动，指出这项研究的意义重大，如果成功，将使水稻大幅度增产 。6月，文化大革命开始，袁隆平遭受冲击，水稻雄性不育试验被迫中断。
1967年4月，袁隆平起草“安江农校水稻雄性不孕系选育计划”，呈报省科委与黔阳地区科委。6月，由袁隆平、李必湖、尹华奇组成的黔阳地区农校（安江农校改名）水稻雄性不育科研小组正式成立。
1968年4月30日，袁隆平将珍贵的700多株不育材料秧苗，插在安江农校中古盘7号田里，面积133平方米。5月18日晚上，中古盘7号田的不育材料秧苗，被全部拔除毁坏，成为未破的谜案。袁隆平心痛欲绝。事发后第4天才在学校的一口废井里找到残存的5根秧苗，继续坚持试验。
1969年冬，袁隆平、李必湖、尹华奇等到云南省元江县加速繁殖不育材料。
1970年夏，袁隆平从云南引进野生稻，拟在靖县（安江农校又搬迁到了靖县）做杂交，后因没有进行短光照处理而未成功。秋季，袁隆平带领科研小组李必湖、尹华奇来到海南岛崖县南江农场进行三季水稻实验条件良好的海南，进行研究试验，向该场技术员与工人调查野生稻分布情况。
1971年春，湖南省农业科学院成立杂交稻研究协作组，袁隆平调省农业科学院杂交稻研究协作组工作。
1973年，协作组通过测交找到了恢复系，攻克了“三系”配套难关。10月，袁隆平在苏州召开的水稻科研会议上发表了《利用“野稗”选育三系的进展》的论文，正式宣告中国籼型杂交水稻“三系”已经配套 。
1975年，袁隆平攻克了“制种关”，摸索总结制种技术成功。
1977年，袁隆平发表了《杂交水稻培育的实践和理论》与《杂交水稻制种与高产的关键技术》两篇重要论文。
2010年3月，袁隆平院士团队和张启发院士团队合作，共同研究转基因水稻。在合作交流会上，袁隆平称，为了消除公众对转基因抗虫稻米安全性顾虑的问题，他愿意作为第一个志愿者来吃！
2017年9月，在2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会上，袁隆平宣布一项剔除水稻中重金属镉的新成果：“近期我们在水稻育种上有了一个突破性技术，可以把亲本中的含镉或者吸镉的基因‘敲掉’，亲本干净了，种子自然就干净了” 。袁隆平及其团队培育的超级杂交稻品种“湘两优900（超优千号）”又创亩产纪录，经第三方专家测产，该品种的水稻在试验田内亩产1149.02公斤 。2020年3月，袁隆平院士选址、谋划和题名的“隆平国际现代农业公园”在广州市黄埔区启动建设，一期项目大吉沙岛水稻种植工作启动。2020年6月，袁隆平团队在青海柴达木盆地试种的高寒耐盐碱水稻又称海水稻。