2007年11月，施一公正式调入清华大学，被聘为清华大学生命科学与医学研究院副院长，生物科学与技术系副系主任。2008年，婉拒美国霍华德休斯医学中心（HHMI）研究员的邀请，全职回到清华大学工作。2009年，担任清华大学生命科学学院院长，主持清华大学生命科学学院的工作。

2010年，施一公及其团队研究项目“膜蛋白的结构与功能”入选中国高等学校十大科技进展。2011年，以项目“AAA+分子机器的结构与功能”入选中国高等学校十大科技进展。2012年，施一公所带领的清华生命学科在教育部一级学科评估中全国排名第一。

2013年9月13日，瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）授予施一公2014年度爱明诺夫奖（Gregori Aminoff Prize）；12月19日，施一公入选中国科学院院士。2013年，施一公陆续入选美国人文与科学院（AAAS）外籍院士、美国科学院（NAS）外籍院士、欧洲分子生物学组织（EMBO）外籍成员。

2014年3月，在斯德哥尔摩音乐厅举行的瑞典皇家科学院年会的颁奖典礼上，施一公教授荣获2014年爱明诺夫奖（Gregori Aminoff Prize），以奖励他过去15年运用X-射线晶体学在细胞凋亡研究领域做出的杰出贡献；12月，施一公教授被学校任命为清华大学校长助理。

2015年3月11日，施一公与陈十一、潘建伟、饶毅、钱颖一、张辉、王坚等7人提交《关于试点创建新型民办研究型大学的建议》，并获得批示支持；9月，出任清华大学副校长。2015年，施一公团队在世界上率先解析出RNA剪接体的空间三维结构。

2016年3月25日，施一公荣获“影响世界华人大奖”；6月2日，中国科协第九次全国代表大会举行第九届全委会第一次会议，施一公当选中国科学技术协会第九届全国委员会副主席；12月，施一公等人筹建的浙江西湖高等研究院（西湖大学前身）正式揭牌成立，施一公担任院长。

2017年，施一公团队首次解析第一个人源剪接体结构。10月28日，参加在北京市中国大饭店举行的2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会，并获得2017未来科学大奖。

2018年1月9日，施一公请求辞去清华大学副校长职务，保留清华大学教授职务，全职筹建西湖大学；1月31日，施一公出席“2017温暖郑州十大民生人物”评选举行颁奖典礼并获得“2017温暖郑州特别贡献奖”；4月16日，当选为西湖大学首任校长；12月，施一公入选“中国改革开放海归40年40人”榜单。

2019年，施一公被聘为中国医学科学院学部委员；1月11日，施一公研究团队在《科学》（Science）发表最新研究成果：《人源γ-分泌酶底物淀粉样前体蛋白的识别》（Recognitionof the amyloid precursor protein by humanγ-secretase）。3月3日，全国政协十三届二次会议开幕式前，施一公亮相首场“委员通道”，并答记者问；9月18日，当选为浙江省欧美同学会会长，同时是欧美同学会总会的副会长和常务理事；10月17日，施一公所创的医药公司诺诚健华赴港IPO，估值8.8亿美元；12月8日，西湖大学校长施一公用1小时39分钟20秒（净时成绩），完成2019年广马半马；12月18日，入选“中国海归70年70人”榜单。

2020年3月，崔霁松和施一公联合创立的诺诚健华在港交所上市；8月28日，施一公团队凭借《剪接体的结构与分子机理研究》项目获得2020年度陈嘉庚科学奖生命科学奖；12月27日，诺诚健华宣布其自主研发的新型BTK（布鲁顿酪氨酸激酶）抑制剂宜诺凯（通用名：奥布替尼片）获得中国国家药品监督管理局（NMPA）批准。

2021年1月22日，施一公当选为欧美同学会第八届副会长；5月30日，当选为中国科学技术协会第十届全国委员会副主席；7月11日，获得2021年度浙江科技大奖；10月22日，参加西湖大学云谷校区首场校园马拉松。2021年，施一公团队首次解析次要剪接体高分辨率三维结构，在《自然》杂志发布的2021年度年轻大学自然指数中，施一公带领的西湖大学是上升最快的25所年轻大学中最年轻的。

2022年4月30日，“新基石研究员项目”正式发布，施一公担任该项目首届科学委员会主席；8月，被聘任为郑州国家中心城市现代化建设特聘科技顾问。2023年，施一公牵头提交《关于加快推进研究型医院建设》《加强研究型大学在传染病科研攻关体系中的作用》两件政协提案，在全国政协科协、科技界联组会议、2023中关村论坛、第十五届中国生物产业大会等重要会议作主旨发言，为中国加快建设教育强国、科技强国、人才强国建言发声；同年，获得2023年度全国政协委员优秀履职奖。

施一公主要运用生化和生物物理的手段研究细胞凋亡的分子机制、重要膜蛋白以及细胞内生物大分子机器的结构与功能，解析真核信使RNA剪接体关键复合物结构，揭示了活性部位及分子层面机理。2003年，施一公在细胞凋亡和TGF-信号传导等领域的杰出工作，破解了一类生命科学之谜。施一公是国际著名结构生物学家。自1998年以来，他领导的实验室主要结合X射线晶体结构生物学和生物化学手段，系统研究了细胞凋亡的发生和调控机制。他们的科研成果不仅清晰地揭示了细胞凋亡通路中的一系列分子过程，基于该研究的一项专利成果也已被转化为治疗癌症的新药进入二期临床试验。2018年8月10日，《科学》杂志在线刊发施一公团队研究成果，首次解析了人源多囊蛋白1与多囊蛋白2形成的复合物的结构，分辨率达到3.6Å。

施一公在普林斯顿大学运用结构生物学、生物物理和生物化学手段，研究癌症发生和细胞凋亡的分子机制。迄今为止，他在国际权威学术杂志发表学术论文百余篇，其中作为通讯作者在《细胞》发表11篇、《自然》发表7篇、《科学》发表3篇，这些工作系统地揭示了哺乳动物、果蝇和线虫中细胞凋亡通路的分子机理，已有若干研究成果申请专利，用于治疗癌症的药物研发。

施一公主要从事细胞凋亡及膜蛋白两个领域的研究。在Smad对TGF-的调控机理、磷酸酶PP2A的结构生物学方面做出过有国际影响的工作。主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究。与重大疾病相关的膜蛋白结构与功能的研究，细胞内生物大分子机器的结构与功能研究。

施一公选择癌症作为自己的主攻方向，研究的课题是：细胞凋亡和癌症发生的分子机理。致癌原因一直是全球科学家致力研究的目标之一。

施一公看来，科研与教学两者密不可分，都是围绕人才培养。通过教学，让学生掌握基础知识和思维方式；通过研究，让学生掌握研究技能和方法，进而成为未来的科学领袖，把科研的“接力棒”传承下去。从2007年在国内招收第一批研究生起，施一公就采取“师傅带徒弟”的方式，手把手地教他们做实验。他每天和学生在实验室里泡三四个小时，一起讨论方法、设计方案，一起做实验。每周他都坚持和全组学生开一次组会，雷打不动。

施一公对学生满腔热忱，他乐于和学生交流谈心，是学生的好朋友。作为良师益友，施一公很善于和学生沟通，不因为“代沟”而受阻。施一公认为老师首先要放下架子，与学生平等地交流。在学术上、在人生阅历上老师的经验丰富一些，可以为学生提出很多指导意见。

施一公先后培养颜宁、万蕊雪等人才。2024年3月4日，深圳医学科学院携手西湖大学开展联合培养博士研究生项目。

施一公的妻子赵仁滨曾是哈尔滨高考理科状元，与他同样毕业于清华本科，并获得霍普金斯大学博士学位，他们有一对龙凤胎儿女。

在施一公看来，跑步以及体育运动的好处，不仅在于锻炼身体更好地工作，更在于磨练心智，“体育锻炼是一种自强的精神，是一种受益终生的生活方式。”

施一公注重全面发展，在高中期间，他就练习长跑，练过的项目从800米到1500米，再到3000米。进入清华后，由于长跑队只招收专业运动员，施一公便转练竞走，从5000米到1万米。他还在校运动会上创下全校竞走项目的纪录。一直到1994年，在他大学毕业五年后，这个纪录才被打破。

在2020年12月13日结束的2020广州马拉松完赛者中，施一公以3小时34分56秒的成绩完成了自己的人生第一个全马。

在浩瀚的科学星空中，施一公无疑是一颗令人瞩目的星——不仅是因为他在生命科学领域的杰出贡献，更因为他将“科学报国”作为人生信条。无论是在全国政协的讲坛上，还是在西湖大学的教室里，他都以行动诠释着什么是真正的“科学家精神”。“新型研究型大学的创办与建设，不是喊口号、不是戴帽子，需要脚踏实地、真抓实干。”这些话均出自施一公在全国“两会”期间的提案和建言。在履职全国政协委员期间，他曾多次将科研与社会问题相结合，递交了非常有价值的调研报告和建议。作为全国政协科协23组召集人之一，施一公在联组会议、小组讨论等活动中坚持建言资政和凝聚共识双向发力。他怀着“科学报国是一个科学家的最大荣耀”的理想信念，号召引领科技工作者去私心、敢担当、有作为，把个人奋斗与国家发展紧密联系起来，为实现中华民族伟大复兴贡献重要力量。（《人民政协报》 评）

施一公，一位从天中走出的才子，一个骄傲的传奇人物，一只展翅翱翔的鸿鹄，他怀着一颗孝心和爱心飞回了祖国。把个人理想和祖国需要联系在一起，把个人选择和国家发展联系在一起，他铿锵有力的梦想，诠释着每一个天中人源远流长的生命观、价值观。（汝南县人民政府 评）