1979年4月，来自世界20多个国家的200多名科学家出席了在菲律宾首都马尼拉国际水稻研究所召开的水稻科研会议。会上宣读了中国专家组袁隆平的《中国杂交水稻育种》论文。从此，袁隆平的名字，不断出现在国内外各种传播媒体上。国际上公认，水稻高杆变矮杆，是第一次绿色革命；杂交水稻，是第二次绿色革命。一些著名的国际水稻研究单位，都纷纷邀请袁隆平前去讲学，传授技术和进行合作研究。袁隆平和他的杂交水稻开始远涉重洋，从中国走向世界。
50年代初期，当袁隆平大学毕业分配到湖南安江农校教书时，米丘林、李森科遗传学说在中国盛引，袁隆平曾经是这一学说的虔诚信徒。他按照米丘林、李森科学说进行教学和科学试验。
1960年7月的一天，袁隆平在早稻常规育种实践中，发现了一蔸“鹤立鸡群”的水稻植株，性状优异，穗大粒多而饱满，每穗一百六七十粒。经他对这棵稻子的精心观察与培育，认识到这棵“鹤立鸡群”的稻子就是天然杂交水稻所表现出来的优势。他如获至宝地精心照管着这蔸禾，收获季节，收回了一把金灿灿的种子。
第二年春天，他将这些种子播到试验田里，满以为它们会成为有希望的一代。因为系统选育（即从一个群体品种中选择优良的变异单株），是一种主要的育种方法，当时许多优良的稻麦品种，如胜利籼、万利籼、老来青、南大2419等都是通过这种方法选育出来的。
早在1926年，美国人琼斯就发现水稻雄性不育现象。日本、美国、菲律宾等国相继自50年代开始，正式开展研究工作。尽管他们实验手段先进，但都因技术难度大，至今仍未应用于生产。因此，杂交水稻研究，是世界公认的难题。当时有专家认为，像水稻这样一朵花只结一粒种子的“单颖果作物”，利用杂种优势，制种相当困难，根本无法应用于生产。并且断言：“杂交水稻此路不通！”
1964年6月，骄阳似火，正是南方水稻的扬花季节，他每天上午11时至下午3时，头顶烈日，脚踩烂泥，手持放大镜，忙碌在茫茫的稻田里，一垅垅、一行行、一株株地观察，寻找水稻雄性不育株。经过10多天细心的逐穗检查，终于在栽培稻种中找到了雄蕊退化不育株，并对它们进行了杂交试验和观察研究。
经过两个春秋的试验，袁隆平对水稻雄性不育材料有了较多的感性认识。他把获得的科学数据，进行分析整理，撰写了“水稻的雄性不孕性”论文，发表在《科学通报》1966年第4期上。这篇论文，不仅第一次详尽论述了水稻具有雄性不育性，并且区分出无花粉型、花粉败育型、部分雄性不育三种不同的类型。同时，还进一步预言，利用杂交水稻第一代优势，将会给农业生产带来大面积、大幅度的增产。他的这一发现受到党和国家的重视。1967年，这一研究被正式列入湖南省重点科研项目。
然而，1966年的“文化大革命”，给袁隆平的科研带来了严重干扰。安江农校一些受蒙蔽的群众，把袁隆平当作“白专道路”的典型、“资产阶级技术骗子”，列为批判斗争对象。但袁隆平并没有被困难所吓倒，试验钵被砸烂，他就把没有被打烂的试验钵藏到偏僻的苹果树下继续进行研究。特别是有人将他历尽千辛万苦培养出来的雄性不育实验秧苗全部拔除又丢入井中，袁隆平不顾自己胃痛，毫不犹豫地脱掉上衣潜入两丈深的井中寻找。由于井水太深，他只得用一台抽水机，花了3天时间才把井水抽干，抢救出5株不育秧苗，使他的实验得以继续进行。
为了加速杂交水稻种子繁殖传代，袁隆平和他的助手从1969年起，每年10月中旬，当秋高气爽，凉风逐渐南下时，他们就到广东、广西、云南搞繁殖育种。在那些岁月里，几乎每年春节，他都是在外地的实验地里度过的。
年复一年，他们先后用1000多个品种，做了3000多个组合，进行了多方面的艰苦探索，袁隆平明白了：“亲缘关系越近，不育系越难以保持；亲缘关系越远，杂交优势越大。”他设想用一种远缘的野生稻与栽培稻进行杂交，杂交优势就会更强。一个新的认识带来了一个新的决定：寻找野生稻。
1970年，袁隆平和他的助手李必湖、尹华奇，风尘仆仆来到海南岛，寻找野生稻。他们深入农村，四处调查，终于在一片沼泽地里发现了一株奇异的稻子，茎杆匍匐，花蕊瘪小，花粉败育。原来这就是他们梦寐以求的雄花败育的普通野生稻，被命名为“野败”。他们如获至宝，精心培育，连续几天蹲在田里，给“野败”授粉，终于获得了少量珍贵的种子。“野败不育株”的发现，为三系选育成功地打开了一个突破口。
“野败不育株”的发现，固然是一个重要转折，但袁隆平深知，要把野生稻的自然“不育株”变成“不育系”，进而实现“三系配套”，直到应用于大田生产。还有一个相当艰苦的过程，是自己单独搞下去，还是把自己的成果奉献给成百上千的科技人员共同攻关，使杂交水稻早日问世？发明家的胸怀是宽阔的，袁隆平选择了后者。
袁隆平这一美好的心愿引起了热烈反响。在很短的时间内，来自全国几十个科研单位的逾百名科研人员，使用上千个品种，与“野败”进行了上万个回交转育，大大加快了杂交水稻的研究进程。经过一年多的协作攻关，到1972年就已选育出了一批不育系和保持系。
1972年3月，杂交稻被列为全国重点科研项目。随后，由中国农科院与湖南省农科院牵头，成立了全国性的科研协作组。同年9月，在湖南长沙召开了第一次全国杂交水稻科研协作会，形成了全国范围的攻关协作网。许多农业科研机关、大专院校的专业力量，分担了杂交稻的基础理论研究，他们同育种工作者密切配合，对水稻“三系”和杂交组合，进行细胞学、遗传学、生理生态学等方面的研究，紧密配合了协作攻关。
1973年，在突破了“不育系”和“保持系”的基础上，广大科技人员广泛选用长江流域、华南、东南亚、非洲、美洲、欧洲等地1000多个品种，进行测交筛选，找到了100多个具有恢复能力的品种。袁隆平、张先程等率先在东南亚品种中，找到了一批优势强、花药发达、花粉量大、恢复度在90%以上的“恢复系”，正式宣告我国籼型杂交水稻“三系”配套成功！它预示着我国应用水稻杂种优势的时刻即将到来。
“自花授粉的水稻，有没有杂种优势？”这个问题，自袁隆平提出水稻的雄性不育性研究课题之日起，一直是理论界争论的焦点，也是关系到杂交水稻这项研究有没有前途的一个关键问题。
1974年，袁隆平育成了中国第一个强优势组合，“南优2号”，在安江农校试种，中稻亩产1256斤，作双季晚稻示范栽培，二十多亩，亩产1022斤。随后，袁隆平闯过了杂交稻配组的优势关。
从1973年冬开始，袁隆平就在海南岛种制种试验田，探索制种高产经验，亲自观察父母本开花习性，寻找叶龄与花期的相互关系，推算播种期；采取父母本分期播种、调节花期、割叶、剥包、喷射“920”、人工辅助授粉等等行之有效的综合性措施，提高了结实率。1975年春，湖南省协作组的27亩制种田、亩产上升到58斤，其中高产丘过了百斤关。
袁隆平系统地总结了这段期间制种攻关的实践经验，写出了“杂交水稻制种与高产的关键技术”的论文，有力地指导了全国的杂交水稻制种。1975年冬，湖南出现了千军万马下海南的热闹场面，共制种3.3万余亩，袁隆平担任技术总顾问，由于措施得力，第一次大面积制种获得成功。这次战役，不仅为1976年在全国大面积推广杂交稻生产了大量种子，更重要的是创造和积累了调整父母本花期，提高母本结实率的有效办法和经验，初步探索出一套较完整的制种技术，攻破了我国大面积推广杂交稻的又一道难关。
杂交稻成功之后，为了尽快地将科研成果运用到生产中去，袁隆平从两个方面抓紧进行。一方面认真进行理论概括，用理论指导实践；另一方面，搞好丰产示范，通过丰产样板的作用，来加速杂交稻的推广。
1977年，他发表了“杂交水稻培育的实践和理论”一文，认真总结了十多年来杂交水稻育种的丰富实践经验，从实践和理论的结合上，深刻阐述了杂交水稻育种中几个重大的实践和理论问题，同时，再一次预见杂交水稻“具有广阔的发展前途，蕴藏着巨大的增产潜力”。这篇论文的发表，扩大了“三系杂交稻”的成果，对于杂交水稻的进一步发展，起着巨大的推动作用。
在丰产示范方面，早在“三系”即将配套的1973年春，袁隆平就在海南岛亲自配制了第一批杂交稻种，尽管数量只有20斤，但这首批珍贵种子在湖南、广西先行试种，就初露了增产锋芒！
1974年，袁隆平一方面组织进行优势鉴定，同时抓紧配制一批又一批杂交种子，为全国多点示范提供了种源。湖南省委、省政府非常重视杂交稻的推广工作，组织干部群众参观了当年在省农科院的104亩杂交稻丰产示范样板田，震动很大。省委、省政府当即拍板，一次拿出资金100万元、粮食300万斤，组织8000多名干部和技术人员、赴海南制种3万多亩，获得成功，为次年大面积推广作好了种子准备。1975年冬，国务院作出了迅速扩大试种和大量推广的决定，国家投入了大量人力、物力、财力，一年三代易地，进行繁殖、制种，以最快的速度推广杂交水稻。
从1976年推广杂交稻种植，到1994年的19年中，全国累计种植杂交稻24亿多亩，累计增产2000多亿斤，相当于1992年全国粮食总产量的一半。湖南有位农民说得好：我们解决吃饭问题靠“两平”，一靠邓小平（责任制），二靠袁隆平（杂交稻）。这是一靠政策、二靠科学的形象说法。这位普通农民的朴实语言，说出了中国亿万农民的心里话！联合国粮农组织1990年统计，当年全世界水稻种植面积为22.5亿亩，其中杂交稻2.2亿多亩，面积只占10%，但杂交稻的产量却占了当年世界水稻总产量的20%，联合国粮农组织的一位官员预言，如果现在的常规稻全部被杂交稻代替，水稻的总产量可翻一番，可多养活100亿人口。
1981年6月6日，袁隆平荣获国家颁发的第一个特等发明奖；1985年获得联合国知识产权组织授予的金质奖；1987年获得联合国教科文组织1986—1987年度科学奖，同年又获得英国著名的伦克基金会奖。他还被评为“全国劳动模范”，被授予“国家级有突出贡献的中青年专家”的称号。