Après un parcours remarquable à l’École normale supérieure (ENS), il obtient son doctorat d’État en 1962, avec sa thèse sur le quantique et le pompage optique (« Théorie quantique du cycle de pompage optique.») sous la direction du physicien Alfred Kastler.
En 1997, alors qu’il enseigne au Collège de France (chaire de physique atomique et moléculaire), Claude Cohen-Tannoudji reçoit le Prix Nobel de physique pour ses travaux sur le refroidissement des atomes par laser à des températures proches du zéro absolu.
Cette nouvelle méthode d’étude permet le développement de nouveaux instruments tels que les horloges atomiques.
Par la suite, Claude Cohen-Tannoudji transmettra son savoir à de nombreux chercheurs et Prix Nobel français en photonique tels que Serge Haroche et Alain Aspect.