1956年，袁隆平带着学生开始了农学实验。袁隆平发现，水稻中一些杂交组合有优势，认定这是提高水稻产量的重要途径。培育杂交水稻的念头，第一次浮现在他的脑海。
1966年，袁隆平发表论文《水稻的雄性不孕性》，拉开了中国杂交水稻研究的序幕。此后，他与学生李必湖、尹华奇成立“三人科研小组”，开始了水稻雄性不孕选育计划。1970年，在海南发现的一株花粉败育野生稻，打开了杂交水稻研究突破口，袁隆平给它取名为“野败”。 各地科研人员聚集到海南，他慷慨地将“野败”分送给大家，又在农场支起了小黑板，给全国各地科研工作者讲课。一场轰轰烈烈的全国攻关大会战打响。1973年，在第二次全国杂交水稻科研协作会上，袁隆平正式宣布籼型杂交水稻三系配套成功，水稻杂交优势利用研究取得了重大突破。 湖南省杂交水稻研究中心办公楼的一间会客室墙上悬挂着一幅照片，金黄色的稻浪翻滚，左上角有袁隆平写下的一行字：湖南溆浦，首次亩产突破1000公斤。 “亩产1000公斤”，这是袁隆平80岁时许下的生日愿望，在2014年已经实现。刚刚度过90岁生日的袁隆平，笑着告诉记者：“现在我们正在向亩产1200公斤攻关。”
从1976年到2018年，杂交水稻在全国累计推广面积约85亿亩，增产稻谷8.5亿吨。每年因种植杂交水稻而增产的粮食，可以多养活约8000万人口，为中国人牢牢掌握自己的饭碗作出了突出贡献。 解决了“吃饱饭”的问题后，袁隆平将更多精力放在了“吃得好”和“更健康”上。由他领衔、已实施10多年的超级杂交稻“种三产四”丰产工程从过去强调产量，向兼顾绿色优质目标转变。2017年参与“种三产四”丰产工程的30多个品种中，优质稻占比超过30%，其中不少品种的米质已经达到国家二级标准。
袁隆平领衔的中国杂交水稻技术还为世界粮食安全作出了巨大贡献。袁隆平写于1985年的《杂交水稻简明教程》，经联合国粮农组织出版后，目前已发行到40多个国家，成为全世界杂交水稻研究和生产的指导用书。