取得博士学位后，刘廷析又赴美国哈佛大学医学院Dana-Farber癌症研究所进行博士后研究。2005年他婉拒了美国导师的挽留，毅然回国，在上海组建实验室，主要利用斑马鱼进行分子遗传学、发育生物学方面的研究。

　　在本科刚毕业的时候，刘廷析一度对临床非常感兴趣。轮转到血液科之后，他感觉到了挑战：当时白血病患者几乎来一个死一个。其中有一位女孩，得了急性早幼粒细胞白血病，凝血机制很差，一出血就会有生命危险。女孩初潮，出血不止，她拉着刘廷析的手说：“医生叔叔，我好害怕，救救我。”结果第二天，女孩就去世了。每次说起这件事，刘廷析总是难受地哽咽。也是这件事之后，刘廷析确定了研究血液病的方向。

　　在美国，刘廷析的事业遇到了重要转机，因为他接触到了斑马鱼这种模式生物。作为一种脊椎动物，斑马鱼非常适合用来研究早期发育事件，它的胚胎是在体外发育而且透明的，可以清晰地进行观察，于是刘廷析开始学习使用斑马鱼作为研究对象来研究血液系统发育和疾病问题。