大學畢業(yè)后，從軍擔任陸軍少尉預官。退伍后報考 國立清華大學原子科學研究所，獲得正取，但因同時取得美國麻省理工學院獎學金，所以便只身負笈留美，順利取得麻省理工學院計算機碩士、博士。之后曾經(jīng)執(zhí)教麻省理工學院、伊利諾大學、 國立清華大學等，并擔任伊利諾大學香檳校區(qū)助理副校長一職。1998年，經(jīng)過 國立清華大學及臺灣“教育部”甄選后，出任國立清華大學第二任遴選的校長一職。

劉炯朗先后當選美國電子 電機工程師學會院士、 美國計算機協(xié)會（ACM）杰出會員，并于2000年當選臺灣“ 中央研究院”院士。2002卸下校長一職后，依舊于清華大學信息系、香港科技大學繼續(xù)從事教學工作。

劉炯朗在 國立清華大學校長任內(nèi)，因“教育部”政策致使學校經(jīng)費日漸短缺，幸賴劉炯朗大力募款成功，共從臺積電、旺宏、臺達電、威盛、凌陽、 合勤、臺灣應用等諸多公司募得大筆捐款，讓學校建設不至于落后。同時，與友校交通大學、 中央大學、 陽明大學等合作方案，更是在劉校長的大力促成下，頗具進展。而兩岸清華及與北大、復旦、蘇州、蘭州大學的交流及成果，亦頗可觀。