1年毕业回国后，一直在中国科学院化学研究所搞科研工作；主要从事高分子反应动力学、高分子材料剖析、性能结构形态关系的研究。历任中国科学院化学研究所研究组组长、室副主任、副研究主任、副研究员、所长，兼职教授等。1979年至1980年间，作为访问学者在德国弗赖堡大学高分子化学研究所进修。1997年8月，被选为国际欧亚科学院院士。
出掌科技部.1986年起，朱丽兰进入国家科学技术委员会，任常务副主任；主持并领导国家863计划。在此期间，她还曾兼任国务院学位委员会委员，国家科技领导小组成员，