Da han startet ved NEC Fundamental Research Laboratories i Japan, skiftet forskningen først til nye karbonmaterialer som fullerener (C60), grafen og karbon nanorør. Etter å ha oppdaget hvordan en kan masseprodusere karbonnanorør, målte han og hans kolleger mange av deres unike egenskaper, som for eksempel deres mekaniske- og fuktighetsegenskaper. For sitt banebrytende og omfattende bidrag innen karbonnanorør delte han 2001 Agilent Europhysics Prize med Sumio Iijima, Cees Dekker og Paul McEuen. Mens han jobbet i NEC, oppdaget Ebbesen et stort nytt optisk fenomen. I motsetning til den da aksepterte teorien, fant han at det var mulig å overføre lys ekstremt effektivt gjennom subbølgelengder små hull i metallfilmer under visse forhold. Fenomenet, kjent som ekstraordinær optisk overføring, involverer overflateplasmoner. Det har reist grunnleggende spørsmål og finner applikasjoner på mange forskjellige områder, fra kjemi til optoelektronikk. Ebbesen har mottatt flere priser for oppdagelsen av den ekstraordinære optiske overføringen, for eksempel France Telecom-prisen 2005 fra Det franske vitenskapsakademi， Quantum Electronics and Optics Prize 2009 fra European Physical Society og 2014 Kavli-prisen i nanovitenskap.