2012年12月，担任中国科学院计算光学成像技术重点实验室主任。

2015年，担任中国科学院上海微小卫星中心研制的中国首颗新一代北斗导航卫星总指挥。

2016年4月-2020年10月，担任中国科学院副院长、党组成员。

2019年11月，当选中国科学院院士。

2020年10月-2023年7月，任中华人民共和国科学技术部副部长。

2023年7月，国家发展和改革委员会党组成员（副部长级）。

2024年5月，国家发展和改革委员会党组成员、副主任（兼职）。

2024年5月28日，国务院任命相里斌为国家发展和改革委员会副主任（兼职）。

相里斌提出高灵敏度静态干涉光谱成像技术和干涉图并行采样与重建方法，建立了通用物理模型和光谱传递函数判据，为方案设计优化和数据质量评价提供了客观依据，成为高分辨率、高稳定性高光谱遥感的新手段，已应用于中国多个航天遥感型号任务。

1995年，相里斌对中国国外出现的空间调制傅里叶变换光谱成像技术进行了系统研究，研制成功了工程样机，获得了机载飞行试验结果。这种光谱成像仪已经作为中国“环境与灾害监测小卫星星座”和“嫦娥一号”探月卫星的有效载荷。1996年，相里斌独立提出了大孔径静态干涉成像光谱仪LASIS的创新原理，使静态光谱成像仪的探测灵敏度提高了两个数量级，他率领团队研制成功了LASIS的样机，在国际上率先获得较好的实验结果。

截至2016年4月，相里斌先后发表论文200余篇。他撰写了有关成像光谱技术领域的各类项目论证报告、建议书、技术方案、验收报告、工作总结等共计20余本，总字数超过50万字。

截至2016年4月，相里斌先后主持完成40余项科研项目，负责论证并成功实施了多项创新航天试验任务，担任“第二代北斗导航卫星”总指挥、“碳排放监测卫星”总指挥、“环境一号卫星”超光谱成像仪主任设计师、“遥感十四号卫星”高光谱成像仪主任设计师、多型机载高光谱成像仪总设计师等。

截至2017年2月，相里斌先后获得国家科技进步特等奖1项、一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一等奖4项、二等奖1项；授权发明专利45项、计算机软件著作权8项。

2017年2月17日，相里斌在中国科学院国家科学图书馆报告厅，做了题为《空间科技发展现状与趋势》的学术报告。

2000年，相里斌领导的科研团队被评为：国家“863”航天领域先进集体；中国科学院百人计划优秀团队。

相里斌在担任中国科学院西安光学精密机械研究所所长期间，西安光机所率先在中国科学院开展了创新文化建设，并在实施中创造性的借鉴企业CIS战略模式，为科研单位的思想文化建设探索了一条新路子，提升了研究所的创新能力和可持续发展；为促进研究所科技成果转化及产业化工作，创建了西安光机所的一家高技术企业——飞秒光电科技（西安）有限公司，并担任公司董事长。

相里斌不仅在学术上有深厚造诣，在科研管理方面也独树一帜。相里斌和他的科研团队瞄准国际光谱成像技术前沿，对各类新型光谱成像技术开展研究，完成了多种原理创新和样机研制，推动了中国光学和遥感事业的发展。（中国科学院评）

相里斌为国家科技事业的发展作出了重要贡献，在为中国科研事业尽职尽责的同时，相里斌也在为地方经济的发展做着贡献。在相里斌的身上有着对科学事业强烈的奉献精神，有着“追求卓越、至于完臻”的人生信念。他严以律己、谦虚务实、兢兢业业；他思维敏捷、富有朝气，勇于创新，善于合作，是一位杰出的复合型青年科技人才。（中国青年网评）