他最杰出的成就是发现J粒子并因此获得1976年的诺贝尔物理学奖，成为继李政道、杨振宁之后第三个华裔诺贝尔得主，J粒子的发现，被国际高能物理学界誉为物理发展史上的一个重要里程碑。此后他又发现了胶子，通过实验证明了胶子现象，又一次轰动了国际高能物理学界。1983年他在日内瓦建造了世界上能量最大的正负电子对撞机，他领导的规模空前的L3实验组有美国、瑞士、中国、法国、德国、意大利等14个国家共43所大学和研究所的581位物理学家组成，是世界上最大的高能物理实验组。目前他正在着手进行在宇宙空间直接探测反物质的实验，为人类揭开宇宙起源之谜。1994年丁肇中先生当选为首批中国科学院外籍院士。