他基於對遺傳學的深刻理解，對試驗田中的退化植株進行了仔細觀察和統計分析，不僅證明了脫穎而出的水稻植株是“天然雜交水稻”，而且從其第壹代的良好生長充分證明了水稻存在明顯的雜種優勢。實驗結果讓他相信，雜交水稻的研究大有可為！
然而，雜交水稻是壹個世界難題。因為水稻是雌雄同體的作物，很難把雄花壹朵壹朵去掉進行雜交。這樣，在與其他品種雜交之前，需要培育壹個雄性不育水稻植株，即雄性不育系。這是壹個世界性難題。袁隆平不顧困難勇往直前。他認為雄性不育系的原始親本是自然突變的雄性不育株，也可以自然存在。我國野生稻和栽培稻品種繁多，種子資源豐富。這是壹個自由的稻米王國。“外國不成功，中國人不壹定成功。”
袁隆平邁開雙腿，走進茫茫綠色的稻海，尋找壹種從未見過、中外資料從未報道過的水稻雄性不育株。時間壹天天過去，袁隆平頂著頭頂的烈日，腳踩著泥濘，弓著腰，壹只耳朵壹只耳朵地尋找。“好事多磨”，袁隆平終於在第14天發現了壹株性狀奇特、雄花不開的植物。袁隆平欣喜若狂。
從6月1964到7月1965，他和妻子鄧哲又發現了6株雄性不育植株。成熟時，分別收獲第壹代自然授粉雄性不育材料的種子。經過兩個春秋的實驗和科學數據的分析，寫出了第壹篇重要論文《水稻雄性不育》，發表在第四期《科學通報》第1966卷。還預測，通過進壹步育種，可以獲得雄性不育系、保持系(在後代中保持雄性不育)和恢復系(恢復雄性育性)，並使三系相匹配，使利用第壹代雜交水稻的優勢成為可能，這將帶來大面積、大幅度的農業增產。這篇重要論文的發表，被壹些同事視為“吹響第二次綠色革命”的進軍號角。
歷經八年艱辛，1974成功制備種子，並確定了優勢。1975年，在湖南省委、省政府的支持下，大規模制種成功，為次年大規模推廣準備了種子，使研究成果進入大規模推廣階段。
1975年冬，國務院作出決定，迅速擴大試種，大批量推廣雜交水稻。國家投入大量人力物力財力，壹年三次進行育種制種，以最快的速度推廣。1976年定點示範208萬畝，全國應用生產。到1988年，我國雜交水稻面積為194萬畝，占水稻面積的39.6%，而總產量占18.5%。10年，全國雜交水稻總種植面積1256萬畝，總產值增加100多億公斤，取得了巨大的經濟效益和社會效益。群眾稱贊，吃飯問題是靠兩個“平”解決的，壹個是靠黨中央高層的政策，壹個是靠袁隆平的雜交水稻。人們用平實的語言說出了中國億萬農民的心裏話。
隨著雜交水稻的成功種植及其在中國的大規模推廣，袁隆平壹舉成名。在成績和榮譽面前，袁隆平公開聲稱，現階段培育的雜交水稻的缺點是“三多三少”，即“前力有余，後勁不足；分蘗過多，成穗不足；穗多籽少，組織助手從育種和栽培兩方面采取措施解決。
20世紀80年代初，面對世界範圍的饑荒，袁隆平再次有了驚人的想法，大膽提出了雜交水稻超高產育種的課題，試圖在更大範圍內解決饑餓問題。
1985袁隆平以強烈的責任感發表了《雜交水稻超高產育種探討》壹文，提出了四種培育強優勢超高產組合的途徑，其中最下功夫的是培育核雜種。然而，多年的育種實踐並沒有培育出符合生產要求的組合。他果斷而迅速地跳出核質雜種的研究，探索新的更有前途的研究領域。
袁隆平以豐富的想象力、敏銳的直覺和大膽的創造精神，認真總結了作物育種的百年歷史和“三系雜交水稻”育種的20年經驗，以及掌握的豐富育種材料。1987年，他提出了“雜交水稻育種的戰略思想”，並預見了雜交水稻的兩個戰略發展階段，即以三系法為主的種間雜種優勢利用。基於兩系法的秈粳亞種間雜種優勢利用:基於壹系法的遠緣雜種優勢利用。這是袁隆平雜交水稻理論發展的又壹個新高峰。
在袁隆平戰略思想的指導下，繼1973湖北史在晚粳58自然群體中發現壹個不育的光敏核不育材料後，6月1987，李碧湖的助手鄧華峰在安江農校的三系秈稻育種材料中發現壹個光敏不育水稻。經過兩年三代的繁殖和異地觀察，該材料農藝性狀整齊壹致，不育株率和不育度均達到100%，不育期在安江穩定50天以上，育性轉換明顯且同步。這壹新成果開辟了雜交水稻由“三系法”向“兩系法”過渡的新局面。水稻無融合生殖研究的進展也使壹系法利用遠緣雜種優勢邁出了可喜的壹步。袁隆平對雜交水稻研究的前景充滿信心。
隨著雜交水稻在世界各國的試種，雜交水稻引起了全世界的關註。近年來，袁隆平先後應邀到菲律賓、美國、日本、法國、英國、意大利、埃及、澳大利亞等8個國家講學、傳授技術、出席學術會議或進行技術合作研究19次。袁隆平的雜交水稻成果在1981年獲得新中國成立以來第壹個特別發明獎後，從1985年到1988年，短短四年內獲得三項國際科學大獎。國際水稻研究所所長、印度前農業部長斯瓦米納森博士高度評價:“我們稱袁隆平先生為‘雜交水稻之父’，因為他的成就不僅是中國的驕傲，也是世界的驕傲，他的成就給人類帶來了福音。”