此走上了物理研究的道路。小柴在1951年毕业于东京大学理学部物理学专业，1955年取得美国纽约罗彻斯特大学的物理学博士学位，1967年取得东京大学理学博士学位，师从1965年诺贝尔物理学奖得主朝永振一郎。1955年7月至1958年2月间，小柴担任芝加哥大学物理系研究助理。其后至1963年10月间担任东京大学助理教授，几经升迁，于1987年升为荣誉教授，并代理芝加哥大学物理系高能物理与宇宙辐射实验室主任。其后十年在日本私立东海大学任教。2002年10月，小柴与雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼分享诺贝尔物理