All'inizio degli anni Cinquanta seguirono le prime importanti composizioni che già rivelarono il giovane compositore come una voce importante nell'avanguardia del dopoguerra. Seguirono i corsi estivi a Darmstadt nel 1954 dove conobbe Pierre Boulez, Luigi Nono, Karlheinz Stockhausen, György Ligeti e Mauricio Kagel, e nello stesso periodo fondò con Bruno Maderna lo studio di fonologia della Rai a Milano che fu a tutti gli effetti il primo studio italiano per la musica elettronica, che permise a Berio di sperimentare, non solo le nuove possibilità date dall'elettronica, ma anche la commistione tra linguaggio strumentale e suoni elettronici come in Momenti del 1957 e il rapporto tra il suono e la parola come in Omaggio a Joyce del 1958.

Iniziò nel 1958 anche la composizione delle Sequenze per strumento solo attraverso le quali Berio cerca di ricavare da ciascuna di esse nuove sonorità e tecniche espressive, lavoro che lo impegnerà fino agli ultimi anni.

Nel 1960 divenne composer in residence a Tanglewood e successivamente iniziò il suo periodo di insegnamento prima al Mills College in California e poi presso la Juilliard School di New York dove fondò il primo Ensemble dedito alla musica contemporanea. Tra i suoi celebri allievi di quegli anni figurano Louis Andriessen e Steve Reich.

La fama del Berio compositore e insegnante si consolidò definitivamente verso la fine degli anni Sessanta con alcuni celebri lavori come Sinfonia del 1968 eseguita alla Carnegie Hall di New York con i Swingle Singers sotto la direzione dello stesso compositore. In questa composizione tra le varie tecniche messe in campo, sperimentò anche innovativi modi di disposizione e spazializzazione delle fonti sonore che sarà tipico di molti suoi lavori come Coro del 1976 e Formazioni per Orchestra del 1985.

All'inizio degli anni ’70 tornò a vivere in Italia e fu chiamato da Pierre Boulez a dirigere la divisione elettroacustica dell’IRCAM a Parigi, incarico che durò fino alla fine del decennio. Nel 1987 Fondò Tempo Reale, centro di ricerca e didattica musicale presso Villa Strozzi a Firenze con il quale realizzò i suoi ultimi lavori di musica elettronica.

Venne richiamato negli Stati Uniti nel 1994, questa volta ad Harvard con l’incarico di Distinguished Composer in Residence che mantenne fino al 2000, anno in cui diventò sovrintendente dell’Accademia nazionale di Santa Cecilia a Roma. Sotto la sua supervisione nel 2002 venne inaugurato l’Auditorium Parco della Musica progettato da Renzo Piano.

Oltre ad un’intensa carriera da compositore e docente, Berio fu anche molto impegnato come direttore d’orchestra. Altra caratteristica singolare di Luciano Berio fu l’interesse trasversale per la musica del passato e del suo tempo che lo spinse a rivisitare e rimaneggiare materiale musicale di qualsiasi provenienza, cultura ed epoca storica, dal canto popolare alle opere dei celebri compositori classici. Importanti sono ad esempio le sue elaborazioni di musica del passato come in Rendering, su appunti della Decima Sinfonia di Franz Schubert, senza dimenticare il nuovo finale di Turandot (dopo quello di Franco Alfano), ultima opera lasciata incompiuta dal maestro Giacomo Puccini.

Nonostante i problemi di salute, Berio continuò a lavorare fino agli ultimi giorni di vita nei quali terminò Stanze per baritono, coro e orchestra. Si spense a Roma nel 2003 e il suo corpo giace ora a Radicondoli vicino Siena.