В 1974-1977 годах — постдокторант в Рокфеллеровском университете (США).

В 1977 году Осуми вернулся в Японию, работал ассистентом профессора на факультете естественных наук в Токийском университете.

В 1988 году он стал адъюнкт-профессором в Колледже искусств и наук Токийского университета, открыл собственную лабораторию.

С 1996 года — профессор Национального института фундаментальной биологии (National Institute for Basic Biology).

С 2004 года — профессор Высшего университета повышения квалификации (Graduate University for Advanced Studies).

С 2009 года — профессор Токийского технологического института (Tokyo Institute of Technology).

С 2009 года — почетный профессор Национального института фундаментальной биологии, почетный профессор Высшего университета повышения квалификации.

Йошинори Осуми специализируется на клеточной биологии и занимается исследованиями разложения белков во время процесса аутофагии — «самопоедания» клетками своих частей, в частности, в условиях голодания. Аутофагия необходима для утилизации поврежденных клеточных частей. Неполадки в этом процессе наблюдаются при болезнях Паркинсона и Альцгеймера.

За свои труды Осуми был удостоен приза Японской академии (2006), Премии Асахи (2008), Премии Киото (2012). В 2015 году он получил Международную премию Гайрднер.

В 2016 году Ёсинори Осуми была присуждена Нобелевская премия по медицине за «за открытие механизмов аутофагии».