1929年，年仅30岁的刘朝阳，撰写了《电磁与引力》、《安斯坦新场论之基本原理》两篇论文，详尽地介绍了爱因斯坦的《相对论》，成为我国最早向国内介绍爱因斯坦《相对论》的少数学者之一。同时，刘朝阳还写出了大量有关天文历法的论文，备受中外学者所重视。著名英国学者李约瑟编的《中国科学技术史》第4卷《天学》中，就选录了刘朝阳的《史记天官书考》、《殷历质疑》、《年代学》等论文12篇。
1931年至1937年间，刘朝阳担任青岛观察台研究员。此间，他的力作《地磁力之新周期》一文，由他人在第五届太平洋科学会议上代为宣读，受到与会科学家的一致重视。此外，刘朝阳还发表了《方阵力学》、《狄拉克关于电子之新理论》等文章，及时地向中国读者介绍了当时理论物理的一些新理论。
1938年，刘朝阳任北平研究院物理研究所研究员。1939年至1943年，先后在中山大学、贵阳师范学院任教授。1943年至1946年，在四川华西大学任教授兼中国文化研究所研究员，对祖国古代天文学和历法进行了更广泛深入的考证和研究。在此期间，刘朝阳的主要论著有：《周初历法考》、《夏书日食考》、《晚殷长历》、《甲骨文之日珥观察记录》、《殷历余论》等，这些论著引起中外学者的普遍关注和重视。李约瑟在《中国科学技术史》一书中认为：“在关于各时期的专门研究中，值得提出的有沙畹、刘朝阳和饭岛中夫等关于商、周的文章。”并称道：“人们从卜辞中收集到大批天文历法资料，特别是郭沫若、刘朝阳以及董作宾所作的高度系统化的工作是值得注意的。把这些资料全部研究以后，我们将会拥有比任何前辈学者更加可靠的事实根据。”
1946年至1952年，刘朝阳调任上海同济大学物理系教授。在同济大学，他发表了《论dirac相对论波浪方程式内之0、q及a诸方阵》、《从dirac相对论波浪方程式看中微子与磁游》等文章。
1952年至1958年，刘朝阳在南京大学物理系任教授兼任中国科学院天文研究所研究员。根据多年来以我国古代天文历法的考证和研究心得，刘朝阳撰写了《中国古代天文历法研究矛盾形势和今后的出路》一文，综述了研究中的矛盾、形势，指出了今后研究的方向。
1958年至1975年，刘朝阳到江西大学物理系任教授，并任理论教研组主任，在这10余年中，刘朝阳一边认真教学，一边潜心科学研究，编写了《热力学与统计物理导论》、《物态》、《太阳的温度》等多篇大学物理教学参考资料。他还将历年来研究的成果写成了系列专著，先后发表了《非厄密o、p矩阵的犹拉克相对论波动方程》、《经典热力学的根本问题》、《光的本质问题》、《一些正反粒子的平衡温度》、《量子力学的一些根本问题》等多篇论著。在理论物理的几个重要方面提出了独创性见解。
