I 1944 avla Esseen doktorgraden med en avhandling om fourieranalyse av fordelingsfunksjoner. I 1949 ble han professor for anvendt matematikk på Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm. I 1962 ble han professor for matematisk statistikk og i 1967 den første lederen for lærestolen i matematisk statistikk på Uppsala universitet. I 1984 ble han emeritert.