Po doktoracie Lieb spędził rok na Uniwersytecie w Kioto. Następnie pracował rok na Uniwersytecie Illinois i dwa lata na Uniwersytecie Cornella. W latach 1960-1963 zatrudniony był w centrum badawczym IBM, a w 1963-1966 na Yeshiva University, skąd na dwa lata przeniósł się na . Od roku 1968 do 1975 pracował w Massachusetts Institute of Technology, a od 1975 roku jest profesorem (obecnie emerytowanym) Uniwersytetu Princeton.
Wypromował 10 doktorów, wśród nich byli m.in. , Jan Philip Solovej, i László Erdős.
Publikacje i osiągnięcia Autor ok. 260 artykułów i książek (w tym napisanego wspólnie z popularnego podręcznika Analysis). Swoje prace publikował m.in. w „Communications in Mathematical Physics”, „Journal of Statistical Physics”, „Physica A”, „Bulletin of the American Mathematical Society”, „Duke Mathematical Journal” oraz najbardziej prestiżowych czasopismach matematycznych świata: „Annals of Mathematics”, „Journal of the American Mathematical Society", „Inventiones Mathematicae” i „Acta Mathematica”.
Jego osiągnięcia (uzyskanie dokładnych rozwiązań ważnych problemów fizycznych) w dziedzinie fizyki teoretycznej wywarły wpływ na fizykę materii skondensowanej, informację kwantową, mechanikę statystyczną i fizykę atomową.