1998年頃から、自己組織化研究を本格化させ、10年程かけて自己組織化の実験系の確立に取り組む。なお、この間、2000年理化学研究所 発生・再生科学総合研究センター (CDB：Center for Developmental Biology) において、グループディレクターを兼任し、2003年には専任となった。この過程で、2005年には高橋政代とES細胞による網膜の分化誘導に成功し、2006年にはES細胞から視床下部前駆細胞を分化誘導させることに成功。マウスES細胞から外胚葉へ分化誘導する遺伝子XFDL156を発見し、2008年のセル誌に発表した。また、2007年にはES細胞の大量培養法の開発や、神経系細胞の効率的な作成を発表。ES細胞の培養方法においてバラバラにしたヒトES細胞の死が問題になるが、笹井のチームはRhoキナーゼ（ROCK）というリン酸化酵素の活性化が原因であることを発見。Rhoキナーゼ阻害剤（ROCK-Inhibitor）を培養液に添加することにより、ES細胞を大量培養することに成功している（従来1%の生存確率が27%に向上）。さらに2011年4月7日付の英科学誌『ネイチャー』にマウスのES細胞から網膜全体を作ることに成功したことを発表。ES細胞から網膜を立体的に作ったのは世界初の試みであり、「この分野を一変させた」と高く評価されている。また、2012年には様々なホルモンを分泌する脳下垂体についても、立体的な形成に成功する。これら一連の研究により、2009年から2012年にかけて文部科学大臣表彰、大阪科学賞、井上学術賞、塚原仲晃記念賞、山崎貞一賞、武田医学賞、などを立て続けに受賞した。2012年のインタビューでは、今後10年は生物の形や大きさを決める原理について研究していきたいと述べるとともに、再生医療や創薬への応用を目指す人達に対する技術移転やサポートについても抱負を語っていた。また、2013年のインタビューでは、ゲノム編集技術による将来展望や、細胞の分化誘導から組織を創り出すことを考える時代へ入っているとの認識を語っていた。
1563年8月17日、ルーアン高等法院はシャルル9世の成人を宣言したが、自身が統治にあたることはできず、また本人も政務にほとんど関心を示さなかった。カトリーヌはアンボワーズ勅令の実施と王室への忠誠を回復させるために「フランス大巡幸」を決意し、彼女はシャルル9世や廷臣たちとともに1564年1月から1565年5月にかけてフランス各地を巡った。カトリーヌはマコンとネラックでプロテスタントのジャンヌ・ダルブレ（ナバラ女王：ナバラ王アントワーヌの未亡人）と会見を持ち、また、彼女はスペイン国境近くのバイヨンヌで娘のエリザベートと再会した。フェリペ2世はこの機会に不在にすることを謝罪するとともに、アルバ公を派遣してカトリーヌにアンボワーズ勅令の廃棄と異端問題の断固たる解決法を見つけるよう求めた。1566年、シャルル9世とカトリーヌは長年のオスマン帝国との同盟を頼りに、駐オスマン大使ギヨーム・ド・グランシャン・ド・グラントリを通してフランスのユグノーとフランスおよびドイツのルター派をオスマン帝国支配地域のモルダヴィアへ移住させて軍事植民地をつくり、ハプスブルク家に対する緩衝地帯となすことをオスマン宮廷に提案した。この計画はフランス国内からユグノーを排除できる利点があったが、オスマン帝国の関心をひくことはできなかった。1567年9月27日、ユグノー軍は国王襲撃を企て（モーの奇襲）、これが内戦再開の引き金となった。不意を襲われた宮廷は無秩序にパリへと逃げ出した。戦争は1568年3月22日から23日のロンジュモーの和議で終結したが、民衆暴動と流血沙汰は続いた。モーの奇襲はカトリーヌの対ユグノー政策の転換点となった。これ以降、彼女は妥協的な政策を放棄する。彼女はヴェネツィア大使に対して、ユグノーから期待できることは欺瞞だけだと語っており、ネーデルラントにおいて数千人のカルヴァン派と反乱軍を処刑したアルバ公の恐怖政治を称賛しているユグノーは大西洋沿海地域の要塞化された拠点ラ・ロシェルへと退却し、ジャンヌ・ダルブレも15歳の息子アンリ・ド・ブルボンとともに彼らに合流した。ジャンヌはカトリーヌに対して「私たちは神と信仰を捨てるよりは死ぬことを決意してここへやって来た」と書き送っている。カトリーヌはジャンヌを「世界で最も恥ずべき女」と呼んだ。だが、資金を使い果たした国王軍は1570年8月8日にサン＝ジェルマンの和議を結び、ユグノーに対してそれまで以上の寛容を余儀なくされた。カトリーヌは王室間結婚によってヴァロワ朝の権益をより一層確実なものとしようとした。1570年にシャルル9世は神聖ローマ皇帝マクシミリアン2世の皇女エリーザベトと結婚し、彼女はまた2人の王弟たちのいずれかをイングランド女王エリザベス1世と結婚させようともしている。1568年に長女エリザベートが出産の際に死去すると、末娘のマルグリットをスペイン王フェリペ2世の後添えにとしつこく勧めていたが、彼女はヴァロワ家とブルボン家の王位請求権を統合すべくマルグリットとアンリ・ド・ブルボンとの結婚を画策するようになった。だが、マルグリットはギーズ公アンリ（先に暗殺されたギーズ公フランソワの息子）とひそかに恋仲になっており、このことを知ったカトリーヌは激怒し、娘を寝室から連れて来させると、王とともに彼女を叩き、寝間着を引き裂き、そして彼女の毛髪をひとつかみ引き抜いた。カトリーヌはジャンヌ・ダルブレに宮廷に出仕するよう圧力をかけた。彼女はジャンヌの息子との面会を求め、決して危害を加えないと約束すると書き送った。これに対してジャンヌは「申し訳ありません。私はお手紙を読んで笑ってしまいました。なぜなら、貴女様は私がかつて感じたことすらない恐怖を取り除いてくださると申されますので。私は、人々が言うように、貴女が小さな子供を食べてしまうと考えたことなどございません」と返書した。ジャンヌが宮廷に出仕すると、カトリーヌは彼女の手を強く握りしめ、最愛の息子に対する彼女の希望につけ込んだ。ジャンヌはアンリがユグノーに留まることを条件として、最終的に息子とマルグリットとの結婚に同意した。ジャンヌは結婚衣装を買うためにパリを訪れた際に病に罹り、44歳で急死した（これにより、息子のアンリ・ド・ブルボンがナバラ王位を継承した）。ユグノーの記録者たちはカトリーヌが手袋に毒を仕込み、ジャンヌを殺害したと非難している。結婚式は1572年8月18日にパリ市内のノートルダム聖堂で挙行された。