Tyson bersama pelajar pada Persidangan Astronomi Amerika 2007

Penyelidikan Tyson telah memberi tumpuan kepada pemerhatian dalam kosmologi, evolusi najam, astronomi galaksi, bonjol, dan pembentukan bintang. Beliau telah memegang banyak jawatan di institusi termasuk Universiti Maryland, Universiti Princeton, Muzium Sejarah Semulajadi Amerika, dan Planetarium Hayden.

Pada tahun 1994, Tyson menyertai Planetarium Hayden sebagai seorang saintis kakitangan sementara beliau ialah sekutu penyelidikan di Universiti Princeton. Beliau menjadi pemangku pengarah planetarium pada Jun 1995 dan dilantik sebagai pengarah pada tahun 1996.[34] Sebagai pengarah, beliau menyelia projek pembinaan semula AS$ 210 juta planetarium itu, yang telah siap pada tahun 2000. Setelah ditanya tentang pemikirannya untuk menjadi pengarah, Tyson berkata "ketika saya masih kecil... ada saintis dan pendidik mengenai staf di Planetarium Hayden... yang melabur masa dan tenaga mereka dalam pencerahan saya... dan saya tidak pernah melupakannya. Dan untuk kembali ke sana sebagai pengarahnya, saya merasakan tanggungjawab yang mendalam ini, yang saya berkhidmat dengan keupayaan yang sama untuk orang yang datang melalui kemudahan hari ini, yang lain berkhidmat untuk saya".[35]

Tyson telah menulis beberapa buku popular mengenai astronomi. Pada tahun 1995, beliau mula menulis lajur "Universe" untuk majalah Natural History. Dalam satu lajur yang ditulisnya untuk edisi khas majalah itu, yang dipanggil "City of Stars", pada tahun 2002, Tyson mempopularkan istilah "Manhattanhenge" untuk menggambarkan dua hari setiap tahun di mana matahari malam menjajarkan dengan grid jalan di Manhattan, membuat matahari terbenam dilihat sepanjang jalan-jalan sampingan yang tidak terhalang. Beliau telah mencipta istilah pada tahun 1996, diilhamkan oleh bagaimana fenomena ini mengimbas kembali penjajaran solstis matahari dengan monumen Stonehenge di England.[36] Lajur Tyson juga mempengaruhi kerjanya sebagai profesor dengan The Great Courses.[37]

Pada tahun 2001, Presiden Amerika Syarikat, George W. Bush telah melantik Tyson untuk berkhidmat di Suruhanjaya mengenai Masa Depan Industri Aeroangkasa Amerika Syarikat dan pada tahun 2004 untuk berkhidmat di Suruhanjaya Pelaksanaan Dasar Penjelajahan Angkasa Amerika Syarikat, yang lebih dikenali sebagai suruhanjaya "Moon, Mars, dan Beyond" Tidak lama selepas itu, beliau dianugerahkan Pingat Perkhidmatan Awam Cemerlang NASA, penghormatan awam tertinggi yang diberikan oleh NASA.[38]

Tyson pada Disember 2011 di sebuah persidangan menandakan 1,000 hari selepas pelancaran kapal angkasa Kepler

Pada 2004, Tyson mengacarkan siri empat bahagian siri mini Origins bagi siri PBS Nova,[39] dan, bersama Donald Goldsmith, menulis bersama jumlah pendamping untuk siri ini, Origins: Fourteen Billion Years Of Cosmic Evolution.[40] Beliau sekali lagi bekerjasama dengan Goldsmith sebagai pencerita suara latar dalam dokumentari 400 Years of the Telescope, yang ditayangkan di PBS pada April 2009.[41]

Sebagai pengarah Planetarium Hayden, Tyson melancarkan pemikiran tradisional untuk memulihkan Pluto sebagai planet kesembilan dalam pameran di pusat. Tyson telah menjelaskan bahawa beliau mahu melihat persamaan antara objek, mengelompokkan planet-planet bumi bersama-sama, gergasi gas bersama-sama, dan Pluto dengan objek seperti itu, dan untuk menghindari hanya menghitung planet-planet. Beliau telah menyatakan di dalam The Colbert Report, The Daily Show, dan BBC Horizon bahawa keputusan ini telah mengakibatkan sejumlah besar surat kebencian, kebanyakannya dari kanak-kanak.[42] Pada 2006, Kesatuan Astronomi Antarabangsa (IAU) mengesahkan penilaian ini dengan mengubah Pluto ke klasifikasi planet kerdil.

Tyson menceritakan perdebatan dalam talian yang dipanaskan pada Rangkaian Persidangan Cambridge (CCNet), sebuah "kumpulan berbual Internet berasaskan UK" yang banyak dibaca, selepas panggilan Benny Peiser diperbaharui untuk mengklasifikasikan status Pluto.[43] Kemasukan Peiser, di mana beliau menyiarkan artikel dari AP dan The Boston Globe, menerbitkan artikel The New York Times bertajuk "Pluto's Not a Planet? Only in New York".[44][45]

Tyson telah menjadi naib presiden, presiden, dan pengerusi lembaga Persatuan Planet. Beliau juga menjadi hos program PBS Nova ScienceNow sehingga 2011.[46] Beliau menghadiri dan menjadi penceramah di simposium Beyond Belief: Science, Religion, Reason and Survival pada November 2006. Pada tahun 2007, Tyson muncul dalam siri popular The History Channel The Universe.

Tyson mempromosikan siri TV Cosmos TV di Australia untuk National Geographic, 2014

Pada Mei 2009, Tyson melancarkan rancangan radio bicara selama satu jam yang dipanggil StarTalk, yang dianjurkan bersama pelawak Lynne Koplitz. Rancangan itu disindikasikan pada petang Ahad pada KTLK AM di Los Angeles dan WHFS di Washington DC. Ia berlangsung selama tiga belas minggu, tetapi dibangkitkan pada Disember 2010 dan kemudian, bersama-sama dengan pelawak Chuck Nice dan Leighann Lord bukan Koplitz. Para tetamu terdiri daripada rakan sekerja dalam sains hingga ke selebriti seperti GZA, Wil Wheaton, Sarah Silverman, dan Bill Maher. Acara ini boleh didapati melalui Internet melalui aliran langsung atau dalam bentuk siniar.[47]

Pada April 2011, Tyson menjadi penceramah utama pada Konvensyen Antarabangsa ke-93 Persatuan Kehormatan Antarabangsa Phi Theta Kappa Sekolah Dua Tahun. Beliau dan James Randi menyampaikan kuliah yang bertajuk Skepticism, yang berkaitan secara langsung dengan tema konvensyen The Democratization of Information: Power, Peril, and Promise.[48]

Pada tahun 2012, Tyson mengumumkan bahawa beliau akan muncul dalam siri YouTube berdasarkan rancangan radionya StarTalk. Tarikh perdana untuk rancangan itu belum diumumkan, tetapi ia akan diedarkan di Saluran YouTube Nerdist.[49] Pada 28 Februari 2014, Tyson menjadi tetamu selebriti di Festival Filem Pelajar Rumah Putih.[50] Pada tahun 2014, beliau membantu menghidupkan semula siri televisyen Carl Sagan Cosmos: A Personal Voyage, mengelolakan Cosmos: A Spacetime Odyssey di FOX dan National Geographic Channel. Tiga belas episod disiarkan pada musim pertama, dan Tyson telah menyatakan bahawa jika musim kedua dihasilkan, beliau akan memindahkan peranan hos kepada orang lain di dunia sains.[51][52] Pada 20 April 2015, beliau mula mengacarakan rancangan bual bicara lewat malam bertajuk StarTalk di National Geographic Channel, di mana Tyson menemuramah selebriti budaya pop dan bertanyakan mereka tentang pengalaman hidup mereka dengan sains.[53]

Tyson membangunkan bersama permainan video kotak pasir bersama Whatnot Entertainment, Neil deGrasse Tyson Presents: Space Odyssey, yang bertujuan untuk membantu menyediakan pemain dengan simulasi realistik untuk membangunkan budaya pelayaran angkasa, menggabungkan bahan pendidikan tentang ruang dan teknologi. Permainan ini dijangka dikeluarkan pada 2018.[54]