1970年09月 - 1974年09月，擔任內蒙古生產建設兵團二師十八團機運連司機、文書。
1974年09月 - 1978年01月，在北京大學化學系催化專業學習。
1978年01月 - 1978年10月，擔任中國科學院長春應用化學研究所研究實習員。
1978年10月 - 1981年12月，擔任中國科學院化學研究所結構化學專業碩士研究生、研究實習員。
1981年12月 - 1985年09月，擔任中國科學院化學研究所結構化學專業博士研究生、助理研究員。
1985年09月 - 1987年11月，擔任美國加州理工學院訪問學者與從事博士后工作，在噴氣推進實驗室從事真空掃描隧道顯微境（STM）研究。
1987年11月 - 1992年07月，擔任中國科學院化學研究所助理研究員、副研究員、研究員、STM實驗室主任。
1991年10月 - 1992年04月，擔任日本東北大學金屬材料研究所客座教授。
1992年07月 - 1996年03月，擔任中國科學院化學研究所副所長，黨委委員。
1996年03月 - 2004年12月，擔任中國科學院副院長，黨組成員。
1995年06月 - 2003年12月，兼任第三、四屆歐美同學會副會長。
1995年07月 - 2000年07月，兼任全國青聯副主席。
1996年05月 - 2006年10月，兼任中國青年科技工作者協會會長，第25、26屆中國化學會理事長。
2001年01月，兼任中國科學院研究生院院長。
1997年03月 - 1997年05月，在中央黨校進修一班學習。
2001年06月 - 2011年，擔任第六屆中國科學技術協會副主席。
2002年03月 - 2002年05月，中央黨校進修一班學習。
2004年12月 - 2011年02月，中國科學院常務副院長、黨組副書記（正部長級），第五屆化學學部主任。
2006年05月，當選第七屆中國科學技術協會副主席。
2011年02月 - 2013年01月，中國科學院院長、黨組書記，學部主席團執行主席。
2012年，兼任中國科學院大學校長。
2012年09月 - 2019年，擔任發展中國家科學院院長。
2013年01月 - 2020年11月，擔任中國科學院院長、黨組書記。
2013年01月 - 2020年12月，擔任中國科學院學部主席團執行主席。
2014年05月03日，當選為英國皇家學會外籍會員。
2018年03月，擔任第十三屆全國人大民族委員會主任委員。
2021年02月，擔任中國合格評定國家認可委員會（CNAS）科研實驗室專業委員會第一屆會員會榮譽主任。
1997年，當選為中國科學院院士、第三世界科學院院士。
2006年，當選美國科學院外籍院士。
2007年，當選英國皇家化學會榮譽會士。
2008年，當選俄羅斯外籍院士。
2009年，當選印度科學院榮譽院士。
2011年，當選德國工程院院士。
2012年03月，被推選為丹麥皇家文理科學院外籍院士。
2016年04月20日，當選美國藝術與科學院院士。
2017年11月20日，當選白俄羅斯科學院外籍院士。
1989年，項目《計算機控制的掃描隧道顯微鏡》榮獲“中國科學院科技進步二等獎”。
1989年，項目《掃描隧道顯微鏡的研制與生產》榮獲“中國科學院科技進步二等獎”。
1990年，項目《掃描隧道顯微鏡》榮獲“國家科技進步二等獎”。
1991年，項目《原子力顯微鏡》榮獲“中國科學院科技進步一等獎”。
1992年，項目《原子力顯微鏡》榮獲“國家科技進步三等獎”。
1994年，項目《LB膜結構與性能研究》榮獲“中國科學院自然科學二等獎”。
1997年，項目《掃描探針顯微學及其在材料表面精細結構研究中的應用》榮獲“中國科學院自然科學二等獎”。
1997年，項目《激光檢測原子力/摩擦力顯微鏡的研制及應用》榮獲“國家教委自然科學二等獎”。
1998年，項目《自由基損傷紅細胞流變性機理及被損傷紅細胞對微循環影響研究》榮獲“北京市科技進步二等獎”。
2001年，項目《三鏈DNA結構模型和能力學的理論生物學研究》榮獲“云南省科技獎一等獎”。
1、研制成功了計算機控制的掃描隧道顯微鏡（STM）
2、研制成功了中國第一臺原子力顯微鏡（AFM）
3、第一臺激光原子力顯微鏡
4、低溫掃描隧道顯微鏡（STM）
5、彈道電子發射顯微鏡
6、超高真空掃描隧道顯微鏡
7、在原子或分子級分辨率的水平上，解釋了材料表面結構與樣品制備、形成條件的關系。
