En 1994, elle entre au département de biologie moléculaire et cellulaire de l'Université d'Hawaï à Manoa où elle effectue une recherche postdoctorale sous la direction de Richard Axel, prix Nobel de physiologie ou médecine en 2004.
En 1996, elle rejoint le département de biologie moléculaire et cellulaire du Massachusetts Institute of Technology (MIT), où elle mène des recherches sur les ARN catalytiques jusqu'en 2002. C'est durant cette période qu'elle découvre la Cas9, un ARN guideur qui peut être utilisé pour modifier les génomes.
En 2002, Jennifer Doudna rejoint l'Université de Californie à Berkeley, où elle continue ses recherches sur les ARN catalytiques et leur application à la modification des génomes. Elle y travaille notamment en collaboration avec Emmanuelle Charpentier, qui fait également partie du groupe de recherche. Ensemble, elles développent le CRISPR-Cas9, un système naturel d'ARN guideur utilisé pour la modification précise des génomes, qu'ils publient dans la revue Nature en 2012.
En 2015, Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier reçoivent conjointement le prix Nobel de chimie pour leurs travaux sur les ARN catalytiques, dont le CRISPR-Cas9 est l'un des principaux exemples.
Jennifer Doudna est membre de plusieurs académies scientifiques américaines et a reçu de nombreux prix pour ses travaux dans le domaine de la biologie moléculaire, notamment la médaille Lewis S. Rosenstedt Award de l'American Society of Human Genetics en 2015, le Breakthrough Prize in Life Sciences en 2016 et la médaille Albany pour les contributions exceptionnelles à la science et à la technologie américaine en 2018. Elle a également été classée parmi les 100 femmes les plus influentes du monde par Time Magazine en 2015 et 2016.