W 1972 został zatrudniony jako pracownik naukowy na Wydziale Fizyki Kyoto University. Krótko przed nim przeniósł się tam Toshihide Masukawa, więc kontynuowali współpracę rozpoczętą w Nagoi. Ich artykuł CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak InteractionM. Kobayashi, T. Maskawa. „Cp-Violation in Renormalizable Theory of Weak Interaction”, Progress of Theoretical Physics, 49 (2):652-657, 1973. opublikowany w 1973 roku, był trzecim co do ilości cytowań artykułem z dziedziny fizyki wysokich energii. Zapostulowana w nim została ogólna postać macierzy mieszania dla trzech generacji kwarków, zwaną obecnie macierzą Cabbibo-Kobayashi-Maskawy.
W 1979 został profesorem na Kyoto University. W 1997 przeniósł się do Tsukuby, gdzie kierował Laboratorium Wysokich Energii. W 2006 przeszedł na emeryturę.
Nagrody W 2008 wspólnie z Toshihide Masukawa został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Niezależnie od nich, laureatem został również Yoichiro Nambu.
Został odznaczony m.in. japońskim Orderem Kultury. Otrzymał Nagrodę Asahi za 1994 rok. Laureat Nagrody Sakurai przyznawanej przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS) teoretykom cząstek elementarnych (1985) J. J.