袁隆平在中国率先开展水稻杂种优势利用研究。在他撰写的第一篇论文《水稻的雄性不孕性》中，提出了：“要想利用水稻杂种优势，首推利用雄性不孕性”。他的理论与研究实践是对经典遗传学理论的挑战，否定了水稻等“自花授粉作物没有杂种优势”的传统观点，极大地丰富了作物遗传育种的理论和技术。
袁隆平解决了三系法杂交稻研究中的三大难题。一是提出用“野生稻与栽培稻进行远缘杂交”的技术方案，终于找到了培育雄性不育系的有效途径，于1973年实现了不育系、保持系和恢复系的“三系”配套。二是育成强优势的杂交水稻“南优2号”等一批组合，并在生产上大面积应用，成为世界上第一位成功利用水稻杂种优势的科学家。
三是突破了制种关，过去的研究认为，水稻异交率仅2.4%，杂种一代种子产量极低，离生产要求相距甚远；国际水稻所1971年开始研究，1973年放弃，原因也就是当时在该所没有人相信可以解决制种难题。而袁隆平领导的课题组成功地解决了这一难题，制种产量逐渐提高，现在高的已达亩产300公斤以上。
袁隆平提出了杂交水稻的育种发展战略，即方法上由三系到两系再到一系，程序越来越简单而效率越来越高；杂种优势水平上由品种间到亚种间再到远缘杂种优势利用，优势越来越强，促使杂交水稻一步一步向新的台阶迈进。这一思路已被国内外同行采用，并成为杂交水稻育种发展的指导思想。
袁隆平解决了两系法中的一些关键技术难题。如1989年在两系法研究遇到重大挫折的时候，他提出了选育实用光温敏核不育系导致不育的起点温度指标和选育的技术策略，使两系法杂交水稻研究走出了低谷。
后来又研究并提出了核心种子生产程序和冷水串灌繁殖等重大技术，使两系法杂交水稻研究最终取得成功并推广应用。他1987年起担任“863”项目两系法杂交水稻技术研究专题责任专家，主持中国性协作攻关。1995年两系法杂交水稻研究成功，两系杂交稻比同熟期三系杂交稻增产5%～10%。
人物评价
袁隆平从事杂交水稻研究已经半个世纪了，不畏艰难，甘于奉献，呕心沥血，苦苦追求，为解决中国人的吃饭问题做出了重大贡献。先生的杰出成就不仅属于中国，而且影响世界。（新华网评）
袁隆平院士是中国杂交水稻事业的开创者，是当代神农。50多年来，始终在农业科研第一线辛勤耕耘、不懈探索，为人类运用科技手段战胜饥饿带来绿色的希望和金色的收获。不仅为解决中国人民的温饱和保障国家粮食安全做出了贡献，更为世界和平和社会进步树立了丰碑。（新浪网评）
袁隆平热爱祖国、一心为民、造福人类的崇高品德，与中国共产党肝胆相照、同心同德的思想风范，与时俱进、勇攀高峰的创新精神，不畏艰险、执着追求的坚强意志，严以律己、淡泊名利的高尚情操，是当代中国人学习的楷模，更是新世纪呼唤的时代精神。（贾庆林评）
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