袁隆平長期從事雜交水稻育種理論研究和制種技術實踐。1964年首次提出培育“不育系、保持系、恢復系”利用水稻雜種優勢的思想，並進行了科學試驗。1970年，他和助手李碧湖、馮克善在海南發現了壹種雄性不育野生稻，成為突破“三系”配套的關鍵。1972年育成我國第壹個水稻雄性不育系“二九南1號A”和相應的保持系“二九南1號B”，次年育成第壹個強優組合“南優2號”，並研究了壹整套制種技術。1986提出了雜交水稻育種分為“三系法利用品種間雜種優勢、兩系法利用亞種間雜種優勢、壹系法利用遠緣雜種優勢”的戰略設想。被同行譽為“雜交水稻之父”。
袁隆平在雜交水稻方面的成就贏得了全世界的欽佩，因而在國際上被譽為“雜交水稻之父”，先後獲得聯合國知識產權組織傑出發明家金獎、聯合國教科文組織科學獎、英國讓-克洛德基金會的讓-克洛德獎、美國範斯特基金會的世界拯救饑餓獎、聯合國糧農組織的糧食安全獎、日本日經亞洲獎、日本世界糧食安全獎。
1987，雙系統方法研究被列為國家“863”計劃項目，袁隆平擔任負責專家，主持全國16單位參與協作研究。從65438到0995，兩系雜交水稻研究基本成功。受兩系雜交水稻育種理論的啟發，兩系雜交高粱、兩系雜交油菜、兩系雜交棉花、兩系雜交小麥已研究成功。