Se licenció en Física del Plasma por la Universidad Hebrea de Jerusalén a los 24 años.

En 1992, propuso junto a Andy Gould que los exoplanetas podrían ser detectados por medio de las microlentes gravitacionales, una técnica utilizada ampliamente en la actualidad.

[20]​[21]​ Además, se descubrió un púlsar alrededor de SgrA*, confirmando una predicción realizada por Pfahl y Loeb en 2004.

[22]​[23]​ También, se descubrió una estrella hiperveloz en la galaxia de Andrómeda, ya pronosticada por Sherwin, Loeb, y O'Leary en 2008.

[26]​ Loeb dirigió un equipo que descubrió evidencias del nacimiento de un agujero negro en la joven y cercana supernova SN1979C.

[29]​ Junto a John Forbes y Howard Chen, de la Universidad del Noroeste, Loeb hizo otra predicción: que planetas de tamaño inferior a Neptuno habrían sido transformados en planetas rocosos, llamados supertierras, por acción del agujero negro supermasivo que se halla en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A*.

Junto a su estudiante Steve Furlanetto (actualmente profesor en UCLA), Loeb publicó en diciembre de 2012 un extenso libro titulado «Las Primeras Galaxias del Universo».

[31]​ Actualmente está escribiendo un libro titulado «Vida Extraterrestre: De los Indicadores Biológicos a los Tecnológicos» con su doctorando Manasvi Lingam, que será publicado por la editorial Harvard University Press.

[38]​[39]​[40]​ Otros científicos declararon que las evidencias eran insuficientes como para tener en cuenta esa posibilidad y que una vela solar en rotación, como se había observado, no sería capaz de acelerarse.

[41]​[42]​[43]​[44]​[45]​ En respuesta a estos científicos, Loeb escribió un artículo que detallaba las seis propiedades anómalas de ʻOumuamua que lo convertían en un objeto inusual y lo diferenciaba de cualquier cometa o asteroide conocido.

Identificaron 4 posibles objetos interestelares atrapados (2011 SP25, 2017 RR2, 2017 SV13 y 2018 TL6) y propusieron futuras misiones para visitarlos[48]​ Señalaron asimismo que en los futuros censos de estrellas, como los realizados por el Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos (LSST), tendrían que encontrarse muchos más objetos como estos.

En 2009, publicó un artículo en la revista Scientific American sobre una nueva técnica para «fotografiar» el contorno de un agujero negro.

[56]​[57]​ El periódico The New York Times publicó otro reportaje sobre Loeb en diciembre de 2014.