1992年7月，徐至展担任中国科学院上海光学精密机械研究所所长（至2001年7月）。

2000年10月，徐至展被聘为北京大学物理学院教授，并担任中国科学院－北京大学激光物理与超快光科学联合研究中心主任。

2001年5月，徐至展受聘为中山大学教授。

2004年，徐至展当选为第三世界科学院院士。

徐至展自研究生毕业以来一直在中国科学院上海光学精密机械研究所从事并主持激光物理与现代光学等领域的科研工作。在激光与物质相互作用、高功率激光、X射线激光、激光核聚变、激光等离子体、强场激光物理和超快激光科学等学科领域进行了深入的研究，取得系统创造性成果。

徐至展主要从事光学与光子学、激光科学、核聚变与等离子体物理等前沿学科领域的研究，特别致力于开拓发展中国强激光物理与超强超短激光科学及重大应用。他是中国惯性约束激光核聚变领域早期研究的主要领导人之一，曾长期长期主持上海光机所激光核聚变研究，是各阶段实验装置和物理方案的主要提出者；在实现激光打靶发射中子、微球靶压缩、建立总体计算机编码及建成六路激光打靶装置等项重大成果中均有贡献。在强激光与等离子体相互作用研究领域，从实验和理论两个方面进行了深入与全面的开创性研究，特别是在非线性和不稳定过程研究方面，取得系统成果。在X射线激光物理方面，1981年已实现粒子数反转并发现新反转区；首次在国际上用类锂离子和类钠离子方案获得八条新波长X射线激光，最短波长已达46.8埃；发现新的跃迁能级并在泵浦功率很低的水平下实现上述激光。在强场激光物理领域，特别是在超短脉冲强激光与电子、原子、分子、团簇的相互作用，强激光驱动粒子加速物理以及新型超短超强激光等研究方面都取得重要成果。中国超强超短激光科学与强场物理新领域的开拓者与领头人，取得重大突破性成就。特别是开拓与发展新一代超强超短激光取得重大突破。

截至2013年1月，徐至展在中国国内外重要学术刊物上发表论文三百余篇。

截至2013年1月，徐至展30余次被邀在美、英、德、日、俄、瑞典、加拿大等国举行的重要国际学术会议作大会主题或特邀报告。先后担任20余次重要国际学术会议主席或名誉主席（如1993年世界光学大会主席、1999年国际激光物理与量子光学会议主席、2006年国际超快强激光科学会议名誉主席、2009年环太平洋激光与光电子国际会议主席等）。

1997年—2010年，徐至展相继担任国家攀登计划项目、两项国家国家重点基础研究发展计划（973计划）项目的首席科学家等。

截至2019年6月，徐至展作为第一研究者完成的十项重大成果先后获得国家或中国科学院奖励，包括国家自然科学奖二等奖一项、三等奖一项；国家技术发明奖二等奖一项；国家科技进步奖三等奖一项；中国科学院自然科学奖一等奖二项、二等奖二项；中国科学院科技进步奖一等奖二项；中国科学院技术发明奖一等奖一项；全国科学大会重大成果奖一项等。

徐至展用十六字概括了培养学生的经历和感受：“燃烧自己，照亮学生；为人师表，甘为人梯。”他认为：“培养学生，不仅要教他们学识，更重要的是培养他们执著献身，勇攀高峰的精神和意志”。他不仅在学术上指导，还在思想上生活上关心，坚持高起点，高标准，以创新为出发点不断提高学生驾御科研工作的能力。研究生撰写的论文，特别是学位论文他总是从各个方面严格把关，决不懈怠。当研究生发表论文时，徐至展总是把学生推上第一作者，而把自己的名字放在后面。徐至展还多次把自己出国作学术交流的机会让给研究生，也主动创造条件让他们参加国际性学术交流活动，以拓宽视野。

截至2013年1月，徐至展先后培养了一大批硕士、博士和博士后。其中有几十名研究生获得国务院授予的“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号、中国科学院青年科学家奖、中国科学院院长特别奖、优秀奖、大恒光学特别奖、中国饶毓泰基础光学奖等奖项。还有三位博士获得全国优秀博士学位论文奖，五位博士获得中国科学院研究生最高奖项即院长特别奖，八名博士相继获得德国洪堡基金的资助，赴德国从事访问研究。

截至2013年1月，徐至展先后十次被评为中国科学院优秀博士生导师。

徐至展出生在一个普通知识分子家庭，家里人口多，有七个兄弟姐妹。父亲收入低，家境清贫。解放以后，徐至展靠着国家颁发的助学金，读完了小学、中学、大学，直至研究生毕业。

徐至展长期主持激光核聚变研究，作出开拓性突出贡献。在强光与物质相互作用领域，进行了系统的深入研究，取得系列开创性重要成就。首次在国际上用类锂和类钠离子方案获得8条新波长的X射线激光。在开拓与发展新型超短超强激光及强场超快物理等方面取得重大创新成果。（中国科学院评）

徐至展为中国强激光物理与超强超短激光科学领域国家级研究基地的创建与发展，并培养高层次科技人才也作出杰出贡献。（山东师范大学评）