2004年8月，出任劳伦斯伯克利国家实验室主任。实验室隶属于美国能源部，是美国历史最悠久的国家级研究室。在朱棣文的领导下，劳伦斯伯克利国家实验室已经成爲生物燃料和太阳能技术的研究中心。他牵头在实验室的Helios计划，该计划旨在开发利用太阳能发电作为可再生能源的来源，用于运输。2008年12月15日，美国当选总统巴拉克·欧巴马提名朱棣文出任能源部部长。2009年1月21日，朱棣文宣誓就任能源部部长，他是继前劳工部部长赵小兰后，第二位出任美国内阁首长的华人，更是首位担任美国内阁首长的诺贝尔奖得主。朱棣文负