С 1966 года по 1967 год был научным сотрудником по физике. С 1967 по 1970 год — доцентом теоретической физики, а с 1970 по 1981 — профессором теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте.

С 1957 года по 1968 год работал лектором в школе физики в Лез-Уш.

В 1968 году стал лектором в международной школе физики Энрико Ферми.

В 1968 году был приглашенным профессором в Чикагском университете, а в 1969 году — в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова.

С 1970 года по 1972 год был членом отдела астрофизики Высоких Энергий в Американском астрономическом обществе (American Astronomical Society, AAS).

С 1971 года по 1998 год был адъюнкт-профессором физики Университета штата Юта.

Автор и редактор книг по теории гравитации и астрономии высоких энергий. В 1973 году написал совместно с Джоном Уилером и Чарльзом Мизнером ставшую классической книгу «Гравитация», учебник-монографию по общей теории относительности.

В 1977 году совместно с Анной Житков Кембриджского университета выдвинул предположение о существовании гипотетического звёздного объекта: красного гиганта с нейтронной звездой в качестве ядра — так называемый объект Торна — Житков. Первый кандидат в такие объекты, получивший обозначение HV 2112, был открыт в 2014 году.

С 1978 года по 1979 год — член комитета по сотрудничеству США и СССР в области физики в Национальной академии наук.

С 1979 года по 1981 год — член консультативного совета Института теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

С 1980 года по 1984 год — член совета по космической науке в Национальной академии наук.

C 1981 года по 1982 год работал в Институте теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

В 1988 году опубликовал с соавторами в журнале Physical Review Letters статью «Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition» (Phys. Rev. Lett. vol.61, pp. 1446—1449 (1988)), в которой показал, что построение машины времени не противоречит теориям, принятым в настоящее время научным сообществом.

С 1991 года — Фейнмановский профессор Калифорнийского технологического института.

В 1993 году стал сотрудником Института теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Член Американского физического общества, Американской академии искусств и наук, Национальной академии наук, Американской ассоциации содействия развитию науки.

В 1994 году опубликовал книгу для широкого круга читателей «Чёрные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна», переведённую на шесть языков, в том числе на русский.

В 1996 году был награжден Американским физическим обществом премией Юлия Эдгара Лилиенфельда за особый вклад в развитие физики.

В 2009 году награждён медалью Альберта Эйнштейна.

В 2009 году Кип Торн ушел в отставку, оставаясь почётным Фейнмановским профессором Калтеха, сосредоточившись на работе над учебником общей физики, популярными книгами и фильмами.

Автор идеи (совместно с Линдой Обст) научно-фантастического фильма «Интерстеллар» режиссёра Кристофера Нолана, вышедшего на экраны в 2014 году. Идея фильма, в котором современные физические теории становятся основой сюжета, появилась у Торна в середине 2000-х годов. С этой идеей он изначально обратился к Стивену Спилбергу, который заинтересовался идеей фильма и пригласил в качестве сценариста Джонатана Нолана. После разрыва отношений Спилберга со студией Universal режиссёром картины стал Кристофер Нолан, а Торн стал научным консультантом и исполнительным продюсером картины.

Специалист в области теории гравитации, астрофизики, квантовой теории измерений. Близкий друг и коллега Стивена Хокинга. Один из основателей международного проекта поиска гравитационных волн LIGO.

11 февраля 2016 года был одним из четырёх физиков, представляющих коллаборацию LIGO на пресс-конференции, посвящённой открытию гравитационных волн.

В 2017 году Кип Торн совместно с Райнером Вайссом и Барри Бэришем был удостоен Нобелевской премии по физике за «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн».