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。
1964年2月22日，袁隆平与农技干部邓则结婚。
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多个稻穗中逐穗检查到6株不育株，并在此后两年播种中，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。
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，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。11月，袁隆平和李必湖（右一）在观察杂交水稻生长情况。在党和国家的大力支持下，全国有19个省、市、自治区先后组成科研协作组，开展群众科学实验，成功地育成了杂交水稻。
1976年，杂交水稻成功推广。
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。
1978年3月21日，全国科学大会上，湖南省代表袁隆平在小组会上发言。
1980年10月，我国第一个研究杂交水稻的育种家、湖南省农业科学院研究员袁隆平，经过10多年刻苦的研究实验，在有关科研单位的协作下，攻克了制种关，使杂交水稻的研究获得全面成功，为水稻增产开辟了新的途径。
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！3月12日，袁隆平在报告会上就转基因抗虫水稻的安全性实验、抗除草剂转基因作物为什么能够减少除草剂用量等问题与张启发院士进行了讨论，并表示支持政府关于转基因作物研发的决策。
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”。
“杂交水稻之父”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公园水稻种植工作启动。
2020年6月，袁隆平团队在青海柴达木盆地盐碱地里试种的高寒耐盐碱水稻（又称海水稻）长出了水稻 。