客居美国的学术生涯
赴美以后，刘子健进入匹兹堡大学历史系攻读博士学位；同时兼任华盛顿大学协理研究员，暑期在远东问题上协助作短期研究(16)。
据刘子健自述，由于“1946年离开中国以前，学的是西洋史和外交史”，故赴美以后仍以现代中日关系为研究对象。1948年与1949年，他分别以英文撰成《东京审判中的史料》与《1937—1938：德国调停中日战争》。1950年，刘子健以题为《1933—1937年姑息政策时期的中日外交》的论文获得了匹兹堡大学历史学博士（1984年，他荣获匹兹堡大学授予的优秀校友奖状）。博士毕业后，他担任过耶鲁大学的协理研究员（一说在政治系任讲师一年）；1952年任匹兹堡大学历史系助教授，1954年升任副教授。
50年代初期，刘子健开设的课程，应该“与现代中国和东亚政治有关”(17)。大约此际，他整合匹兹堡大学相关各系的资源，创设了东亚课程，他的短文《评〈历史上封建主义〉一书兼论亚洲社会》（1956年）与《新课——亚洲各文化导论》（1957年），或即与东亚课程有关。据1959年9月12日杨联陞致胡适函说：“上次谈的在匹资堡大学设一‘胡适中国文化讲座’，蒙您在原则上赞同，子健想必去洽商了。”六天后，杨联陞再次致函胡适：“子健这几年不但在学问（尤其是宋史）很努力，在办事方面也很出色，如杨庆堃（社会学）、周舜莘（经济学）都给他拉到匹资堡，再加上子健夫妇，居然也是一个小中心了。先生如肯假以名义，帮忙不小。子健进行如有眉目必来报告。”(18)刘子健在匹兹堡大学洽商设立“胡适中国文化讲座”（但此事后以胡适的原因而中辍），应该与他设想筹建中的匹兹堡大学东亚中心有关。1960年，匹兹堡大学东亚中心成立，但就在这年，他转赴斯坦福大学应聘副教授。(19)
20世纪50年代，刘子健将研究重心从现代中日关系转向宋史，这一重大抉择有着多方面的因素。
首先，出于史学研究必须排除史家情感干扰的考虑。尽管刘子健的最初学术志趣是现代中日关系研究，且已卓有成果；尽管战后不久他就理性与公允地区分日本军国主义与日本人民，但还是唯恐在研究中掺入个人感情。1962年，他曾向日本友人袒露心怀：“自己在日本占领下的北京度过青年时代，也被宪兵队逮捕过。时至今日，只要一想起抗日战争就激奋得夜不能寐。尽管想搞日中关系研究，怕自己的神经不堪承受，这才决定专治宋代。”(20)刘子健果断终止原先擅长的现代中日关系史，这一考量应与陈寅恪有意回避晚清史研究如出一辙(21)。
其次，与20世纪50年代华裔学者颇难平衡旅居美国的学术环境与无法释怀的家国情怀也是息息相关的。华裔学者在美国研究中国近现代史，研究的是中国失败的那段历史，难免产生超越学术的心理负担，其原因诚如有学者所说：“历史专业者，当然不能不顾历史的客观性，一味为自己的国家辩护。然而每一个历史专业者，在分析自己国家和他国的关系时对自己的国家都会有一份自然的历史同情心”，华裔学者的这种研究取向与见解，在美国学术环境中很难获得“同情的回应”(22)。刘子健对这种分析“没有特别不同的意见”，应该也是他为了立足美国学术界而放弃现代中日关系研究的考量因素之一。
第三，受到匹兹堡大学缺少中国研究必备图书的限制。据刘子健回忆：“最初在的学校，原来没有中文书，慢慢才筹措一点基本书籍。十年后转到规模较大的学校（按：指斯坦福大学），有中日文收藏，可是绝大部分属于近代范围，个人用书还是很不够。近年来任教的大学（按：指普林斯顿大学），才具备研究的条件。所以有很长一段时间都是利用假期长途跋涉，到名列前茅的图书馆去借读。来往匆迫，仿佛走马看花。”(23)当年，其师洪业曾询问他何以放弃原先专长转而改治宋史，刘子健回答：“从消极说，学校没书，自己买不了多少。收入少，教完暑校再跑哥伦比亚和哈佛的大图书馆也看不了多少。”久在哈佛供职的洪业是不容易体会这层难处的。华裔美国学者在与美国同行专业者竞争中，在中国古代史料的阅读与理解上比起近代史资料来明显占有优势。至于为何改治宋史，而不是其他断代史，他也从客观的图书资料与个人的知识结构诸方面经过诸多权衡。他向洪业推心置腹道：“如论唐史，要懂佛经，要熟唐诗，很难。元史要会蒙古文。明清史的书又极多。只有宋史，勉强还拼得了。洪先生编有《四十七种宋代传记的索引》。宋史全部书目，大体上也不过十倍，四五百种。业余苦读，十年八年，多少会有点眉目。”(24)
当然，之所以改治宋史的根本原因，还是刘子健在通史教学中“发现宋代的确是近代中国定型的时期，很值得从各方面去推究分析”。(25)在转攻宋史的50年代前期，刘子健还只能借助暑期，千里驱车到波士顿，利用哈佛大学的藏书。据1956年8月1日《胡适日记》，在普林斯顿图书馆看书的胡适，“在馆中陆续见朋友甚多”，包括瞿同祖、周策纵与洪业等；其中也有刘子健，而他应该仍是利用暑期驱车普林斯顿看书的。当年刘子健治学的艰苦状况与执着精神，今人是很难想象的。
获得博士后的五六年间，未见刘子健有学术论文发表，这既是其研究沉寂期，也是其学术转型期。战后西方日渐重视中国研究，1955年，法国史学家白乐日（Etienne Balazs）倡导发起了国际协作研究宋史的宏大计划，刘子健作为其《宋代人物传记》计划的合作者之一也名列其中；次年，他交出了作为样稿的《梅尧臣传》。1957年，费正清主编的《中国的思想与制度》论文集出版，刘子健的《宋初改革家：范仲淹》与华裔学者杨联陞、瞿同祖、杨庆堃的论文同时入选，说明他的研究已获得美国中国学领军人物的首肯，也标志着他成功完成了学术转型。1959年，刘子健出版了专著《宋代中国的改革：王安石及其新政》，赢得了美国中国学界的普遍好评，一举奠定了他在国际宋史学界的地位。斯坦福大学之所以聘任他，与他的声誉鹊起应有密切的关系。
在斯坦福大学期间，刘子健创立了语言中心（全称“美国各大学中国语文研习所”），一度担任理事会主席。1965年起，改任普林斯顿大学历史与东亚研究系教授，在大学部主讲中国文化史，在研究院讲授宋代政治、制度及思想史（直到1988年退休）；其间一度担任东亚课程指导主任，与他人合编有《宋代中国的变化》（1969年）；他还用英文译注了《名公书判清明集》（纽约州立大学出版社1999年版）。1972年至1973年，他兼任美国国家人文科学基金组织高级研究员。他还出任过美国历史学会的提名委员、亚洲学会理事、美国学术联合会中国文化委员会委员、纽约州教育司外国文化研习处顾问委员等学术兼职。