Hun tok doktorgraden ved Université Pierre-et-Marie-Curie i 1986. I 1987 oppdaget hun hvordan et stort antall overtoner av lys oppstod når hun sendte infrarødt laserlys gjennom edelgass. Hver overtone av lysbølgene hadde et visst antall hele svingninger for hver svigning i laserlyset. Disse oppstod som følge av at laserlyset vekselvirket med atomer i gassen og gir visse elektroner ekstra energi, som siden ble avgitt som lys. Senere har L’Huillier utforsket dette fenomenet videre, noe som har bidratt til flere vitenskapelige gjennombrudd.