1970年09月 - 1974年09月，担任内蒙古生产建设兵团二师十八团机运连司机、文书。
1974年09月 - 1978年01月，在北京大学化学系催化专业学习。
1978年01月 - 1978年10月，担任中国科学院长春应用化学研究所研究实习员。
1978年10月 - 1981年12月，担任中国科学院化学研究所结构化学专业硕士研究生、研究实习员。
1981年12月 - 1985年09月，担任中国科学院化学研究所结构化学专业博士研究生、助理研究员。
1985年09月 - 1987年11月，担任美国加州理工学院访问学者与从事博士后工作，在喷气推进实验室从事真空扫描隧道显微境（STM）研究。
1987年11月 - 1992年07月，担任中国科学院化学研究所助理研究员、副研究员、研究员、STM实验室主任。
1991年10月 - 1992年04月，担任日本东北大学金属材料研究所客座教授。
1992年07月 - 1996年03月，担任中国科学院化学研究所副所长，党委委员。
1996年03月 - 2004年12月，担任中国科学院副院长，党组成员。
1995年06月 - 2003年12月，兼任第三、四届欧美同学会副会长。
1995年07月 - 2000年07月，兼任全国青联副主席。
1996年05月 - 2006年10月，兼任中国青年科技工作者协会会长，第25、26届中国化学会理事长。
2001年01月，兼任中国科学院研究生院院长。
1997年03月 - 1997年05月，在中央党校进修一班学习。
2001年06月 - 2011年，担任第六届中国科学技术协会副主席。
2002年03月 - 2002年05月，中央党校进修一班学习。
2004年12月 - 2011年02月，中国科学院常务副院长、党组副书记（正部长级），第五届化学学部主任。
2006年05月，当选第七届中国科学技术协会副主席。
2011年02月 - 2013年01月，中国科学院院长、党组书记，学部主席团执行主席。
2012年，兼任中国科学院大学校长。
2012年09月 - 2019年，担任发展中国家科学院院长。
2013年01月 - 2020年11月，担任中国科学院院长、党组书记。
2013年01月 - 2020年12月，担任中国科学院学部主席团执行主席。
2014年05月03日，当选为英国皇家学会外籍会员。
2018年03月，担任第十三届全国人大民族委员会主任委员。
2021年02月，担任中国合格评定国家认可委员会（CNAS）科研实验室专业委员会第一届会员会荣誉主任。
1997年，当选为中国科学院院士、第三世界科学院院士。
2006年，当选美国科学院外籍院士。
2007年，当选英国皇家化学会荣誉会士。
2008年，当选俄罗斯外籍院士。
2009年，当选印度科学院荣誉院士。
2011年，当选德国工程院院士。
2012年03月，被推选为丹麦皇家文理科学院外籍院士。
2016年04月20日，当选美国艺术与科学院院士。
2017年11月20日，当选白俄罗斯科学院外籍院士。
1989年，项目《计算机控制的扫描隧道显微镜》荣获“中国科学院科技进步二等奖”。
1989年，项目《扫描隧道显微镜的研制与生产》荣获“中国科学院科技进步二等奖”。
1990年，项目《扫描隧道显微镜》荣获“国家科技进步二等奖”。
1991年，项目《原子力显微镜》荣获“中国科学院科技进步一等奖”。
1992年，项目《原子力显微镜》荣获“国家科技进步三等奖”。
1994年，项目《LB膜结构与性能研究》荣获“中国科学院自然科学二等奖”。
1997年，项目《扫描探针显微学及其在材料表面精细结构研究中的应用》荣获“中国科学院自然科学二等奖”。
1997年，项目《激光检测原子力/摩擦力显微镜的研制及应用》荣获“国家教委自然科学二等奖”。
1998年，项目《自由基损伤红细胞流变性机理及被损伤红细胞对微循环影响研究》荣获“北京市科技进步二等奖”。
2001年，项目《三链DNA结构模型和能力学的理论生物学研究》荣获“云南省科技奖一等奖”。
1、研制成功了计算机控制的扫描隧道显微镜（STM）
2、研制成功了中国第一台原子力显微镜（AFM）
3、第一台激光原子力显微镜
4、低温扫描隧道显微镜（STM）
5、弹道电子发射显微镜
6、超高真空扫描隧道显微镜
7、在原子或分子级分辨率的水平上，解释了材料表面结构与样品制备、形成条件的关系。
