研究生毕业后，陈竺留校工作。三年后，作为首批赴法担任外籍驻院医生人选，到巴黎圣·路易医院血液病研究所进修，攻读血液学研究所肿瘤发病基础专业博士学位，后做博士后研究。不久他的妻子陈赛娟也来到巴黎一起攻读细胞遗传学博士。夫妻两博士，一时被业内传为佳话。
　　1989年7月，陈竺夫妇学成归国，到上海血液学研究所工作。
　　1994年，陈竺夫妇在治疗急性粒细胞白血病上取得突破。他们通过将砒霜成功引进白血病的治疗，给了急性早幼粒细胞白血病患者一条生路。这一成果之后发表在国际著名的《自然》和《科学》杂志上，被国际主流学术界所认可。
　　当时，业内盛传，如果说中国的科技工作者谁最有希望获得诺贝尔奖，那么陈竺肯定会是“第一人”，这在之后几乎成为一个共识。
　　1998年，陈竺组建了我国第一个国家级基因组研究中心——国家人类基因组南方研究中心，领导展开了人类基因组DNA和cDNA的大规模测序，取得了多项在国际上产生重要影响的科研成果。
　　南方人类基因组是一个“联邦制”的研究机构。其整个架构是将复旦、上医、二医等上海地区的高校、科学院等6家科研力量集中在一起，搭建成一个国家级的基因研究平台。
　　陈的工作搭档，复旦大学生命科学院院长金力对其评价，陈是个好的合作者，甘居老二。
　　专家陈竺行事始终低调，但在2003年“非典”之后却颇有惊人之举。当时，陈深感中国科技体制和卫生体制的落后，曾与21位院士一起联名给国务院写了一份报告，倡导改革，希望加大卫生事业投入，少做一些“形象工程”。
　　2007年6月16日，在石家庄举办的中国第一届生物产业大会上，陈竺也表示：“未来20年，我国对医疗卫生事业的投入必将大幅度增加。”
　　在此会上，他甚至两次举例古巴的医疗卫生体系。在他看来，后者虽然国内生产总值不及美国的1/10，但却是世界上为数不多的医疗强国，每年将国家财政支出的20%用于医疗卫生事业。
　　而早在1996年，陈竺就已经进入中共高层的视野。是年八月，国家科技教育领导小组在中南海共举办了22次科技知识讲座，陈竺正是主讲人之一。2007年2月14日，中共中央在中南海召开党外人士迎春座谈会，共议国是。座谈会上，无党派代表人士陈竺就曾发言。