[2]​ Ha sido investigadora en el Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) desde 1997 y desde 2018 tiene la posición de investigadora principal en los Institutos Gladstone, así como profesora en la Universidad de California en San Francisco.

Los profesores de química Fred Grieman y Corwin Hansch en Pomona tuvieron un gran impacto en ella.

Comenzó su primera investigación científica en el laboratorio de la profesora Sharon Panasenko.

Durante su estancia en el laboratorio Szotak, Doudna modificó el intrón catalítico del grupo I para convertirla en una verdadera ribozima catalítica capaz de copiar plantillas de ARN.

[4]​ Su laboratorio ahora se enfoca en un entendimiento mecanístico de los procesos biológicos que involucran el ARN.

[12]​ En 2012 Doudna y sus colegas realizaron un nuevo descubrimiento que reducía el tiempo de trabajo necesario para editar el ADN genómico.

[15]​ En el 2013, Doudna dio una conferencia en TED sobre los aspectos bioéticos del uso de CRISPR.