始在中国农业大学教授课程，从助教做起，逐步晋升至了讲师、副教授、教授。1958年，李季伦在中国首次研制成功了赤霉素，是中国在研制植物生长激素领域中的首次成功。1973年起，李季伦钻研于动物增重激素玉米赤霉烯酮的研究，与上海有机化学研究所共同研制了玉米赤霉醇。1980年，李季伦前往美国威斯康星大学生化系开始进修，主要研究方向为固氮酶催化的生化机制、链霉菌次生代谢调控、的以及各种微生物酶的开发及其应用。1985年至1991年和1983年至1995年曾兼任国务院学位委员会学科评议组成员和中华人民共和国农业部科