De 1765 à 1774, il se concentra plus particulièrement sur les sciences. En 1765, il publia son premier travail sur les mathématiques, intitulé Essai sur le calcul intégral, qui fut très favorablement accueilli, et lança sa carrière de mathématicien de renom. Cet essai ne sera d’ailleurs que le premier d’une longue série. Dès 1767-1769, il écrit ses premiers papiers sur l'arithmétique politique et le calcul des probabilités. Condorcet est alors influencé par les savants des Lumières de l'Italie du Nord et par leurs essais de formalisation du réel (Cesare Beccaria, les frères Verri, Paolo Frisi, etc.). Il envisage ainsi des calculs en matière de jurisprudence (voir le texte inachevé « Sur les lois criminelles en France »). Mais il faut attendre 1784 pour que Condorcet développe une théorie d'ensemble de l'arithmétique politique.
Le 25 février 1769, il fut élu à l’Académie royale des sciences.
En 1772, il publia à nouveau des travaux sur le calcul intégral, qui furent unanimement acclamés et considérés comme révolutionnaires dans de nombreux domaines. C’est peu après cela qu’il rencontra et se lia d’amitié avec l’économiste Turgot, qui allait devenir administrateur sous Louis XV (1772), puis contrôleur général des Finances sous Louis XVI (1774).
En 1786, il épousa Sophie de Grouchy, la sœur du futur maréchal de Grouchy, lui-même déjà beau-frère de Cabanis.
En 1786, Condorcet travailla à nouveau sur le calcul intégral et les équations différentielles, montrant une nouvelle manière de traiter les calculs infinitésimaux. Ces travaux ne furent jamais publiés. En 1789, il publia la Vie de Voltaire, où il se montre tout aussi opposé à l’Église que Voltaire. Il a donné vingt-quatre articles sur l’analyse mathématique au Supplément de l’Encyclopédie de Diderot et D’Alembert. Il s'intéresse aussi aux assurances agricoles (article anonyme dans le Journal de Paris), à la mesure du risque et à celle de la valeur des pertes.
Dans de nombreux ouvrages, (Essai sur l’application de l’analyse à la probabilité des décisions rendues à la pluralité des voix - Essai sur la constitution et les fonctions des assemblées provinciales - Sur les élections ), Condorcet s’intéresse à la représentativité des systèmes de vote. Il démontre que le vote à la pluralité peut très bien ne pas représenter les désirs des électeurs dès lors que le premier candidat ne récolte pas plus de la moitié des voix.
Il propose son propre système de vote, la méthode Condorcet, dans lequel l'unique vainqueur est celui, s'il existe, qui comparé tour à tour à tous les autres candidats, s'avèrerait à chaque fois être le candidat préféré. Néanmoins, il admet que ce système est peu réalisable à grande échelle et échange une correspondance très riche avec Jean-Charles de Borda concepteur d’un autre système, la méthode Borda.
Il met en évidence une faille dans son propre système de vote — le paradoxe de Condorcet — qui prouve l’impossibilité, dans son système, de dégager avec certitude une volonté générale à partir d’une somme de volontés individuelles. Kenneth Arrow prouvera par la suite que cette impossibilité est inhérente à tout système de vote (Théorème d'impossibilité d'Arrow).