1957年、スタンフォード大学と当時関わりが深かった SRIインターナショナル（当時はスタンフォード研究所）に雇われた。当初はヒューイット・クレーンの磁気デバイスの研究と電子部品の小型化の研究を手伝った。SRIで徐々に1ダースほどの特許を取得し（バークレー時代の研究に基づいた特許も含まれる）、1962年には長年温めていたビジョンについて Augmenting Human Intellect: A Conceptual Framework（人類の知性の増強: 概念的フレームワーク）と題したレポートをまとめ、研究を提案した。この提案によりARPAから予算がつき、作業を開始することになった。新たに Augmentation Research Center (ARC) をSRI内に創設し、研究員を集め、oN-Line System (NLS) の開発と設計を主導した。ARCでは、ビットマップ・スクリーン、マウス、ハイパーテキスト、グループウェア、先駆的なグラフィカルユーザインタフェース (GUI) などのインタフェース要素を開発した。彼は1960年代中ごろにユーザインタフェース (UI) のアイデアの多くを考案し開発した。そのころパーソナルコンピュータはもちろんないし、コンピュータは一般の人々には遠い存在で直接使用するなどほとんどあり得なかったし、ソフトウェアも個々のシステム向けの専用アプリケーションとして書かれることが多かった。1967年、エンゲルバートはマウスの特許を申請し、1970年に取得した（アメリカ合衆国特許第3,541,541号）。マウスが開発されたのはその数年前で、エンゲルバートのアイデアに基づいてビル・イングリッシュが設計・開発した。その特許では "X-Y position indicator for a display system"（表示システムのためのX-Y位置指示器）とされており、金属ホイールを2つ持つ木製のマウスであった。エンゲルバートによれば、「マウス」と名づけられたのはしっぽに相当するコードが後ろ（というか利用者から見て手前）にあったためだという。また、スクリーン上のカーソルは「バグ」と呼んでいたが、この用語は定着しなかった。エンゲルバートはマウスの発明に関してロイヤルティーを受け取ったことはない。その第一の理由は、特許が1987年に失効したため、パーソナルコンピュータでマウスが必須のデバイスとなる前だった点が挙げられる。第二に実際に製品化されたマウスは彼の特許に記載されていたのとは異なる（改良された）機構を使用していた。インタビューで彼は「SRIはマウスの特許を取らせたが、その価値を理解していなかった。後で知ったことだが、SRIはアップルに4万ドルかそこらでライセンス提供したんだ」と証言している。エンゲルバートは数々の発明品を統合して、1968年12月9日のコンピュータ会議 (Fall Joint Computer Conference) でデモンストレーションを行った。これはアメリカなどではMother of all demos（全てのデモの母）と呼ばれている。
1945年にヴァネヴァー・ブッシュの "As We May Think" を読んだことで、知識を誰でも入手できるようにすることを目標と定めた。戦後になってコンピュータに関する記事などを読み、またレーダー技師としての経験から、情報を分析してスクリーンに表示できることを知っていた。彼は、知的労働者たちがディスプレイの前に座り、情報の空間を飛び回り、より強力な方法で重要な問題を解決する集合的知性のような能力を利用できると考えた。エンゲルバートはコンピュータが単なる数値を処理する機械と見なされていたころに、対話型コンピュータを活用して集団的知性の利用を実現することをライフワークと捉えていたのである。そこで、カリフォルニア大学バークレー校大学院の電気工学科に進学し、1953年に修士号、1955年に博士号を取得。バークレーの大学院生時代、CALDICというコンピュータの構築に参加した。大学院での研究からいくつか特許を取得することになった。博士号取得後もバークレーに助教授として1年間留まったが、そこでは自身のビジョンを実現できないと感じて去ることにした。そしてベンチャー企業 Digital Techniques を創業し、博士課程での記憶装置に関する研究の一部を商業化しようとした。しかし、やはりライフワークと決めたビジョンの実現をあきらめられず、1年でその会社をたたんでいる。
1993年10月、知人から「4人でお笑いをやろう」と誘われ、新宿アルタ前に集合。そこで現在の相方である日村勇紀と出会う。設楽、日村、西秋元喜ともう1人で4人組のお笑いグループを結成するが、2回稽古しただけでこのグループを見限り、4人組から設楽と日村が脱退する形で現在のバナナマンが結成された。1999年4月23日、バイト先で知り合い19歳の時から交際していた一般人の女性と結婚。ちなみに結婚の動機は、設楽が「風呂のある家に住みたい」「二人で住めば家賃を折半できる」として彼女に同居を持ちかけたところ、彼女が「じゃあちゃんとしないと」と答えたため。現在、娘が居る。2006年、テレビ朝日『虎の門』の企画「いとうせいこうナイト 話術王決定戦」の第3回チャンピオンに選ばれる。また、相方の日村も第2回話術王でチャンピオンとなっており、コンビ揃っての優勝となった。2007年3月18日12時30分頃、自らのタバコの不始末にて自宅が火事の被害に遭う。幸いにも自分の部屋が一部屋燃えただけで、全焼は回避されたものの、自宅にあった大事な写真やDVD、衣装、バッグ等のほとんどの私物はこの火事により焼失した。なお、現場検証中に一部が燃えた携帯電話が鳴り、それはマネージャーからの電話であった。その携帯電話はしばらくそのままで使用していた。また、この火災直後（約6時間後）に収録を行った「ウンナン極限ネタバトル! ザ・イロモネア 笑わせたら100万円」においては自身の火事を早速ネタにした挙句、最後は上記の携帯電話を使用した事が決め手となり、見事自身初となるゲームクリア及び100万円獲得を達成した（詳細は「ウンナン極限ネタバトル! ザ・イロモネア 笑わせたら100万円#挑戦者」内の「バナナマン」の項目も参照）。2009年11月放送のTBS『ザ・イロモネア』の企画「ピンモネア」で、史上3人目の100万円獲得を達成。因みにバナナマンとしての記録を含めると100万円獲得を4度達成しているが、これは番組内における最多記録となっている。2010年3月放送のフジテレビ『IPPON グランプリ 春の陣』で優勝し、年末のグランドチャンピオン大会出場権獲得。その後2015年11月放送のIPPONグランプリでは約5年半ぶりに2度目、2018年12月放送のIPPONグランプリでは約3年ぶりに3度目の優勝を果たしている。2012年、ニホンモニターの調査による「2012タレント番組出演本数ランキング」において、出演番組数が611番組で1位となった。2017年上半期番組出演本数ランキングで3年ぶりにTOKIOの国分太一、フリーアナウンサーの羽鳥慎一を抑え1位となった。