Su grupo de investigación estudia el aprendizaje automático, la computación cuántica y la química automatizada.

[1]​ Cuando estaba en la secundaria, representó a México en la Olimpiada Internacional de Química, después de lo cual creció su pasión por la ciencia, particularmente la química.

[4]​ Continuó en Berkeley como becario postdoctoral entre 2005 y 2006, trabajando con Martin Head-Gordon.

[7]​ En 2016, Aspuru-Guzik trabajó con Ryan Babbush, un ingeniero cuántico de Google, para desarrollar un nuevo algoritmo para una computadora cuántica que podrá detectar varias moléculas, como el colesterol.

[8]​ Generalizando tales esfuerzos de investigación, ha contribuido sustancialmente a desarrollar ideas de algoritmos clásicos cuánticos híbridos.