בשנת 1948 הזמין ד"ר חיים ויצמן את אהרן קציר ואת אחיו אפרים להצטרף למכון ויצמן, שהיה אז בשלבי התכנון האחרונים. ארנסט דוד ברגמן, מנהלו המדעי של המכון המתהווה, סיפר שנים מאוחר יותר איך נשבה בחינו האישי של אהרן קציר, כאשר זה הגיע לרחובות לשוחח על אפשרות לכהן כאחד ראשי המחלקות במכון ויצמן: "היו שחשבו שהוא צעיר מלקבל על עצמו תפקיד כה אחראי, אבל מי יכול היה לעמוד בפני קסמו של איש מדע צעיר, שופע רעיונות ותוכניות, מדען שמחפש מקום אותו יוכל לבנות מתחילתו".
הוא הקים את המחלקה לפולימרים, ועמד בראשה עד הירצחו. במחקריו המדעיים חתר להבנת תהליכי החיים הבסיסיים. בהמשך החליט לחקור את תיפקודן של מולקולות סינתטיות גדולות, בעיקר כאלה שהתנהגותן מסבירה תופעות חשובות במערכות חיות. מחקר זה הוביל אותו לתחום חדש, שהוא קרא לו "מכנוכימיה" – שיחלופים בין אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית, כמו אלה המתחוללים בשרירי גופנו. עבודתו של קציר בתחום זה זכתה בהכרה בין-לאומית רחבה.
באחד התחומים האחרונים בהם עסק הפעיל קציר את תורת התרמודינמיקה של תהליכים בלתי-הפיכים, לשם פיתוח תיאוריה מתמטית המתארת את החדירות של קרומים ביולוגיים, שהיא אחת הסוגיות המרכזיות של הפיסיולוגיה – ושל החיים בכלל. תיאוריה זו התקבלה תוך זמן קצר בקרב חוקרים במרכזים שונים בעולם. היבטים מסוימים שלה נחשבים כיום לקלאסיים, ועדיין מוצאים שימוש במדע ובתעשייה בעולם כולו, כגון בתעשיית הממברנות המשמשות להתפלת מים. בארץ זיכה פיתוחה את פרופ' קציר ואת פרופ' אורה קדם בפרס ישראל לשנת 1961.
קציר תרם רבות להצבת ישראל על מפת המדע העולמי. הוא היה בין הישראלים הראשונים שהחזיקו במשרות בכירות בארגונים מדעיים בין-לאומיים, כולל נשיא האיגוד הבינלאומי לביופיסיקה שימושית וטהורה. כמו כן, הוא נבחר לחבר בשלוש אקדמיות למדעים בארה"ב, וקיבל תארי- כבוד במוסדות מחקר ובאוניברסיטאות רבות בעולם.
בארץ, לצד עיסוקו במדע בסיסי, היה מעורב בחיים הציבוריים. הוא פעל להקמת מוסדות רבים, המהווים כיום חלק בלתי- נפרד מהחיים האינטלקטואליים בארץ. כך הקים את האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, ושימש כנשיאה במשך שש שנים, עד מותו. בין היתר, תרם להקמתם של אוניברסיטת בן-גוריון בנגב, מכון ון ליר בירושלים, ומדרשת פיינברג במכון ויצמן.
קציר היה חלוץ בתחום הפופולריזציה של המדע בארץ. הרצאות שנשא ברדיו (סדרת "עולם המדע") היו אהובות על רבים. הוא היה מורה כריזמטי והעמיד מאות תלמידים. לדברי פרופ' קדם, תלמידתו לשעבר, דוקטורנטים בהנחייתו הרגישו שיחד איתו נכנסו להיכל המדע. כאשר ביקר ברוסיה בסוף שנות ה-50 של המאה הקודמת, היה זה מקרה יחיד בו נאלצו באוניברסיטה של מוסקבה להעביר הרצאת אורח מחו"ל לאולם גדול יותר מזה שנקבע מראש.
במאי 1972 היה קציר בדרכו הביתה ממספר כנסים מדעיים באירופה, בהם כנס גרמני-ישראלי על ממברנות, אותו אירגן בגטינגן יחד עם חתן פרס נובל בכימיה, מנפרד אייגן. עם שובו ארצה נקלע קציר להתקפת מחבלים יפניים בנמל התעופה בן-גוריון. כ-100 בני אדם נפגעו מהיריות, 24 מהם נהרגו, ובהם פרופ' אהרן קציר.
מעטים יודעים זאת, אבל בצעירותו הוא שקל ברצינות להיות משורר, ואף היה חבר בתזמורת המנדולינות הארץ-ישראלית. כל חייו היה איש ספר והתעניין ביהדות, בסוגיות הפילוסופיות של המדע, בתורת המוסר, בחינוך, בתורת האינפורמציה ובתחומים רבים אחרים. פרופ' שניאור ליפסון, תלמידו לשעבר של קציר, כינה אותו "משורר המדע".
זכרו של פרופ' אהרן קציר הונצח בארץ ובעולם. במכון ויצמן הוקם "מרכז אהרן קציר-קצ'לסקי", אשר מנציח את מורשת אהרן קציר בפעילויות שונות – בהענקת מלגות נסיעה לסטודנטים במדעי החיים, בהרצאות בין-לאומיות, ובארגון כנסים שנתיים. כל ילדיו של אהרן קציר בחרו בעולם המדע: הפיסיקאי אברהם קציר, האנתרופולוגית יעל קציר, והביולוג הימי גדי קציר.