1934年夏，畢業于清華大學研究生院。動身去德國漢堡，師從布拉須凱教授。僅用一年的時間完成了博士論文，其內容涉及法國大數學家E*嘉當的理論在微分幾何上的應用。

1935年10月，完成博士論文《關于網的計算》和《2n維空間中n維流形三重網的不變理論》。在漢堡大學數學討論會論文集上發表。

1936年9月，到巴黎大學做學術訪問。在法國巴黎大學跟隨嘉當的十個月中，陳省身從這位偉大的幾何學家那里學到的東西使他終身受用，他與嘉當也結下了終生之誼。美國著名數學家卡普蘭斯基曾評論說：“如果陳省身選擇了代數數論，20世紀數學的歷史將會有重大改變。”而從數學史的觀點來看，正是“微分幾何得益，代數數論受損”。
　　1937年，受聘為清華大學的數學教授。

1943年，在美國普林斯頓全身心投入大范圍微分幾何研究。完成了自己一生中最出色的工作為高維的高斯邦內公式做出新證明，發表了幾篇匠心獨運的微分幾何論文，其中包括現在被稱為“陳類”的理論。他的劃時代的工作將微分幾何和拓撲學有機地結合起來，為整體微分幾何奠定了基礎。
　　1945年，返回中國。
　　1948年，數學研究所正式成立，陳省身任代理所長，主持數學所一切工作。入選中央研究院第一屆院士。
　　1949年，陳省身到達芝加，擔任芝加哥大學的幾何學正教授。十年中，復興了美國的微分幾何，形成了美國的微分幾何學派。
　　1950年，國際數學家大會上，陳省身作了題為《纖維叢的微分幾何》的學術報告，確立了他在世界數學界的學術地位，一門涉及整個數學的數學分支大范圍微分幾何就此誕生。在陳省身的努力下，美國的微分幾何開始復興。對學界后人而言，“陳省身就是現代微分幾何。”
　　1960年，遷往柏克利，在那一直工作到退休。

1961年，被美國科學院推舉為院士，這是美國科學界的最高榮譽職位，并入美國國籍。

1981年退休后，擔任美國數學科學所第一任所長，任期三年，后任名譽所長。
　　1984年5月，獲得世界數學最高獎項——沃爾夫獎。
　　1984年，中華人民共和國教育部聘請陳省身擔任南開大學數學研究所所長。

1995年，當選為首批中國科學院外籍院士。

 2000年1月，天津市政府正式聘請陳省身教授為天津科學技術館名譽館長。