Након завршених мастер студија преселио се у Након завршених мастер студија преселио се у САД, где је у двадесет првој години докторирао на Принстону, а са двадесет четири постао редовни професор на Универзитету у Калифорнији, најмлађи у историји ове институције. Постигао је значајне резултате у најмање пет различитих математичких области. За њега су нестале традиционалне границе између различитих математичких поља, тврде старији математичари. Најпознатији успех направио је у области теорије бројева, заједно са професором Беном Грином са Оксфорда. О значају њиховог рада у овој области говори и чињеница да је теорема добила „лично“ име: Грин-Таова теорема. За „доприносе парцијалним диференцијалним једначинама, комбинаторици, хармонијској анализи и адитивној теорији бројева“ награђен је Филдсовом медаљом 2006. године, која је у свету математике равна Нобеловој награди. Најмлађи је њен добитник у последњих тридесет година. У детињству га је математици подучавао и чувени математичар Паљ Ердеш, који му је писао и писмо препоруке за Принстон. У септембру 2015. Тао је објавио доказ чувеног „проблема неслагања“, који је Ердеш поставио тридесетих година прошлог века. О свом раду пре доласка у Америку, Тао говори: „Сећам се да сам као дете мислио да математичарима неко стално задаје задатке и они их на неки начин реше. Као некакав стални спринт. У стварности, математичко истраживање је више попут маратона.“ Са Емануелом Кандесом, професором са Стенфорда, радио је и на реконструисању оштећених сигнала од којих су у преносу „ухваћени“ само битови. Развио је технику коју користе ЦИА агенти, али и лекари у процесу скенирања мозга. Тао је до данас сарађивао са око седамдесетак математичара, објавио седамнаест књига и близу триста радова. Годинама води и математички блог на којем објављује новости о свом раду, успесима колега, али и проширује математичку комуникацију.