小柴昌俊（東京大学特別栄誉教授）の愛弟子の1人。カミオカンデ、スーパーカミオカンデでのニュートリノ観測実験の主要メンバーとして活躍した。特にカミオカンデでは大口径（20インチ）光電子増倍管の開発と製作、超純水製造装置の設計、製作などを担当し、戸塚洋二、須田英博とともに検出器建設と実験遂行の中心的存在であった。スーパーカミオカンデ実験が稼働すると東北大学に戻り、それまでの水を使った検出器ではなく、原子炉ニュートリノや地球ニュートリノなど低エネルギーのニュートリノに極めて感度の高い油（液体シンチレーター）を用いた検出器の開発と製作に情熱を燃やし、世界最大の1000トン液体シンチレータ検出器であるカムランド実験を提唱。小柴から譲り受けたカミオカンデを大改造して検出器を建設し、2002年（平成14年）1月から実験を開始した。その第一の目的は当時未解決の難問であった「太陽ニュートリノの欠損問題」の解決であった。これがニュートリノ振動によるのかどうか決定打を放つには同じ電子型の（反）ニュートリノで発生量が正確にわかる原子炉ニュートリノを観測することが鍵であり、神岡から平均距離180kmに点在する大型原発から飛来する大量のニュートリノを観測して、ニュートリノ振動が正に原因であることを世界で初めて突き止めた。さらに地球物理学者にとっては夢のまた夢（小柴）であった地球反ニュートリノ検出に初めて挑戦し、2005年（平成17年）にその兆候を捕らえることに成功した。これは地球深部に含まれるウランやトリウムからの放射性元素の崩壊で発生する反ニュートリノを直接検出するものであり、ニュートリノを使って地球内部で発生する放射化熱を直接測定できることを示した最初の実験であった。カムランドの結果はこれまでの地震波や岩石の化学分析による間接的な手法とは違い、人類が地球内部を直接見る眼を獲得したことを意味するものであり、地球物理学者から「単なる発展(evolution)と言うより革命(revolution)である！」と称されるほどの反響を巻き起こした。
専門は、素粒子物理学・ニュートリノ物理学。カミオカンデ・スーパーカミオカンデを経て、世界最大（1000トン）の液体シンチレータを用いたニュートリノ検出装置カムランドを発案・建設し、2002年（平成14年）に、遠方の原子炉から飛来するニュートリノの振動現象を、世界で初めて観測した。これにより、長年の謎であった「消えた太陽ニュートリノの謎」を完全解決に導くとともに、ニュートリノ振動を決めるニュートリノ質量2乗差を、世界最高感度で決定した。2005年（平成17年）には、地球内部から飛来する反ニュートリノの検出にも、世界で初めて成功した。これは、地球内部で発生する放射化熱の直接測定であり、ニュートリノを用いて地球の熱源と進化の謎に迫る、新たな研究分野（ニュートリノ地球科学）の創始を意味する。2006年（平成18年）4月より、高エネルギー加速器研究機構長。
山梨県には2015年時点で25体が現存し、うち移入像が1体、移出像が64体で計89体が確認される。分布は南巨摩郡身延町の四国堂や山神社、マツコ堂、金龍寺、静仙院薬師堂、個人蔵などの像があるほか、韮崎市の個人蔵、笛吹市御坂町の山梨県立博物館所蔵の像がある。韮崎市の像は地蔵菩薩、観音菩薩像の二体。ともに韮崎市指定文化財。地蔵菩薩像は像高36.5センチメートルで、天明6年（1786年）3月11日の背銘を持つ。通常は釈迦如来か大日如来の印相である法界定印の地蔵菩薩。木喰は天明3年（1765年）に佐渡島において同様の形式を取っており、本像が法界定印の地蔵菩薩としては最後の像となり、以後は両手を衣の下に入れる像容に変化する。観音菩薩像は像高43.5センチメートルで、天明6年3月14日の背銘を持つ。蓮座・敷茄子・返花の三重台座に座した観音菩薩で、胸前の衣の下で両手を合掌する。背銘に「稱観世音菩薩」と記され、「稱」は「聖」の当て字。韮崎市旧在の東京都個人所蔵の像には同様の墨書が記されている。『御宿帳』に拠れば、木喰は前年の天明5年9月12日に丸畑に帰郷し、2週間あまり滞在している。身延町の像は金龍寺所蔵の日蓮上人像がある。像高30.8センチメートル。身延町指定文化財。寛政12年（1800年）10月12日の年記を持つ。『御宿帳』に拠れば、木喰は同年10月25日に故郷丸畑に帰郷している。山梨県立博物館には弘法大師像、千手観音菩薩像（個人像・2008年寄託）、不動明王像の3体が所蔵されている。弘法大師像は像高54.5センチメートル。金丸康信寄贈。四国堂諸像のひとつで、1924年1月9日に柳宗悦が小宮山清三宅で実見した3像のうちの1体。千手観音菩薩像は像高72.5センチメートル。寛政13年（1801年）の年記があり、四国堂諸像のひとつ。不動明王像は像高29.2センチメートル。2008年に収蔵。背銘に天明9年（1789年）3月28日の年記があり、木喰が九州・宮崎において初期に彫った像。後年の木喰の不動明王には火炎光背がつけられるが、本像には見られない。