1978年，陈竺被推荐到上海第二医学院附属瑞金医院内科进修。著名血液学专家王振义教授意外发现，陈竺虽然只有中专学历，但写病史十分仔细、准确，字迹工整，他开始悄悄观察这个年轻人。

　　这年10月，高校恢复研究生招生考试，爱才心切的王振义鼓励陈竺报考自己的研究生。没有上过大学的陈竺日以继夜地自学大学课程，最终在600多名考生中获得总分第二、血液学专业第一的好成绩。王振义坚持承受了重大压力，破格录取了他。陈竺学业进步很快，先后在《中华医学》英文版发表了3篇有关血友病的论文，引起国际医学界的关注，不久就被接纳为国际血友病联盟的第一个中国会员。

　　1984年，陈竺凭着优异的专业成绩和掌握英语、法语两门外语的优势，成为新中国成立后首批赴法国担任外籍住院医生的人选，来到巴黎圣·路易医院血液中心实验室。一年后，他开始攻读博士研究生学位，主修分子生物学。陈竺如饥似渴地学习，常常通宵达旦。在第一年的考试中，以“白血病T细胞受体基因的研究”的论文，夺得全班第一。

　　1986年1月，陈竺的夫人、研究生同学陈赛娟来到陈竺所在研究所攻读细胞遗传学博士学位。她接手了一个高深的细胞遗传学课题，攻了整整半年，未见一丝成功的曙光，陈竺来助战。那段时间，熟悉的人都知道，“半夜还亮着灯的实验室，一定是陈的”。甚至连实验大楼的大门钥匙，都由陈竺掌管了很久，因为他们来得太早，走得又太晚。半年后，陈竺夫妇合作发表了6篇论文，在白血病分子生物学研究领域取得了“突破性成果”，找到了染色体断裂的确切位置，并提出了新的断裂点集中区域的概念，之后被国际同行广泛采纳。

　　1989年，陈竺夫妇俩决定回国，老师们劝他们：“留下来，你们会有灿烂的前程，回国，你们将一无所有。”陈竺笑了笑说：“之所以回国，不是因为我不爱法国，而是因为我更爱中国。”他在自己博士论文的扉页上，工整地写下：献给我的祖国。

　　“贫瘠”的土地上开花结果

　　归国创业初期异常艰苦。担任上海血液学研究所所长职务的王振义只是一个“皮包所长”，要建血液研究室更是缺人、缺设备，甚至没有一间像样的房子。他们一路上小心翼翼带回的价值几万法郎的试剂，因寄放在上海二医大基础部的低温冰箱故障，竟全部报废了!由于没有相关设备，他们要到外边的实验室去“借做”，陈竺把那些贵重娇气的标本、试剂、试管及实验材料轻轻放在自行车车筐里，四处奔走。

　　经过多年探索，陈竺发现维甲酸和砷剂实际上是通过不同的途径，靶向作用于急性早幼粒细胞白血病的同一关键致病基因编码的蛋白质，因此提出两药共用的“协同靶向治疗”设想。临床试验中，90％以上的患者长期无病生存。

　　当陈竺得知哈尔滨医科大学张庭栋教授等用砒霜治疗早幼粒细胞性白血病，取得时间长短不一的完全缓解的消息后，便开始与之合作。1年后，他们合作在国际权威杂志《血液》上发表论文，揭示了三氧化二砷（即砒霜）是通过诱导癌细胞凋亡（细胞程序性死亡）而发挥作用的。这一发现使砒霜这个古老的药物，正式步入了现代药物治疗研究的主流。

　　1995年11月3日，陈竺被增选为中国科学院院士（生物学部）。这年，他只有42岁，是当时中国医学界最年轻的院士。

　　2000年10月，陈竺出任中国科学院副院长，分管国际合作局和生物技术局，但他的研究工作从未停止。