帰国後、東京大学理学部の小石川植物園や博物課に勤務したのち、1884年（明治17年）に同大学の教授となった。翌1885年（明治18年）に医学部教授も兼務し、1886年（明治19年）に東京大学予備門の教諭になる。予備門の改組により第一高等中学校の教諭となった後、1889年（明治22年）に同校の教頭となる。1891年（明治24年）には帝國大学から理学博士の学位を授与され、1894年（明治27年）に第一高等中学校の校長に就任した。1898年（明治31年）、創設されて間もない京都帝國大学（現・京都大学）理工科大学の教授となり、化学講座で有機化学を担当した。1901年（明治34年）に欧米を歴訪した後1903年（明治36年）に中沢岩太の後を受けて理工科大学長（現在の学部長）に就任、1906年（明治39年）には帝国学士院（現・日本学士院）会員となる。1912年（明治45年）5月8日、京都帝大総長事務取扱、同月13日、同総長に発令され、京都帝國大学の教授としては初めて総長となった。翌年に総長を退いた後はサルバルサンなどヒ素化合物の研究を行なう一方、附属化学特別研究所の設立を目指した。この研究所は1915年（大正4年）に設立され、1926年（昭和元年）に化学研究所ができるとその一部門となった。1919年（大正8年）11月21日、慢性気管支炎により亡くなる。墓碑は津山市西寺町の長安禅寺にある。
1855年（安政2年）、代々津山藩の藩医を勤める久原家の9代・宗甫の息子として現在の津山市に生まれた。なお躬弦は化学者になったが、弟が医師となって父の後を継いでいる。津山藩の藩校で漢文や数学を、1868年（明治元年）からは箕作麟祥の塾で英語を学んだ後、1870年（明治3年）に全国から集められた貢進生の一人として大学南校（後の東京大学）に入学した。改組した東京大学（旧制）の理学部化学科を1877年（明治10年）12月19日に卒業し、学士（理学士）の第一号となった。なお、卒業研究では「日本の染色および捺染法」を研究している。1878年（明治11年）4月に東京大学理学部の准助教（現在の助教）に就いた。同年には現在の日本化学会の元となる化学会を設立し、その初代会長となった。翌1879年（明治12年）、アメリカのボルチモアにあるジョンズ・ホプキンス大学に留学し、サッカリンを発見したレムセンの下で有機化学の研究を行なった。1881年（明治14年）には6月から9月までエール大学で鉱物学を学び、同年10月にジョンズ・ホプキンス大学に学位論文を提出して翌月に博士号を取得し、12月に帰国している。
1970年代に日本テレビで放送されたドラマ「西遊記」では湯島聖堂の大成殿がロケ地となった。2006年にフジテレビでリメイクされた月9ドラマ「西遊記」のロケ地としても使用された。また、歌手の木村カエラの「Level42」という曲のプロモーション・ビデオの撮影にも使われている。敷地内には珍しい楷の木がある。ちなみに、JR御茶ノ水駅の上で神田川をまたぐ聖橋は、「2つの聖堂（湯島聖堂と、川向こうのニコライ堂）を結ぶ橋」であることからその名を得ている。2018年（平成30年）4月11日、敷地内の木製の案内板が強風により倒壊、歩道を歩いていた仮面女子の猪狩ともかに直撃し腰を骨折する重傷を負わせる事故が発生した。事故後、猪狩は病院で緊急手術を受け、約1ヶ月が経った5月7日、「脊髄損傷による両下肢麻痺」と診断されたため、今後は車椅子での生活になることを本人のブログと仮面女子のTwitterにて報告した。併せて猪狩は車椅子での自立した生活に向けてリハビリテーションに励んでいることを明かし、8月26日のライブにて復帰。そして9月25日に退院した。
初期ロマネスク教会堂の標準形式は、壁面を石造、天井と屋根を木造とする平天井バシリカである。初期キリスト教建築のバシリカでは、身廊内部はアーケードと高窓（クリアストーリ）のみが壁面に変化をもたらすだけであるが、ニーダーザクセンとシャンパーニュ、ノルマンディの教会堂は、側廊の2階部分にトリビューン、トリフォリウムと呼ばれる身廊に向かって解放された通路、ないしは部屋を持っており、これが身廊内壁を水平方向に分節した。ゲルンローデのザンクト・ツァリアクス聖堂などがその代表的なものだが、トリビューンの機能とその起源ははっきりせず、ヴィニョリのサンテティエンヌ聖堂のように、2階廊がなく、アーケードとともに側廊と身廊を結ぶだけの、偽トリビューンと呼ばれるものもある。イタリア半島以外の地域では、バシリカのアーケードは円柱ではなく、ピア（角柱）で構成されたが、11世紀になるとピアと円柱を交互に配置する形式が好まれるようになった。ピアの配置は、構造的な安定をもたらすが、ヒルデスハイムのザンクト・ミヒャエル聖堂のように、最初はアーケードに身廊と袖廊の交差部のリズムを繰り返すだけの措置にすぎなかったかもしれない。しかし、ジュミエージュのノートルダム聖堂では、ピアに天井まで達する半円形の付柱が付属してひとつの柱間（ベイ）のような構成になっており、内部壁面を明瞭に分節している。また、確実ではないが、この聖堂の天井には、パヴィーア近郊にあるサンタ・マリア・マッジョーレ聖堂に似た壁付き横断アーチが架けられていたらしく、柱間の区分をさらに決定的なものにしていたらしい。これらの聖堂はすべて基本的に木造の平天井で、石造ヴォールトではない。石造天井の技術は、堅固な建築物を建設する目的のために必要とされ、実際にその試みはすでに10世紀には行われていた。しかし、石造天井を構築するための技術的問題が本格的に解決され、運用されるのは、続く盛期ロマネスク時代である。