Avi Loeb w 1986 roku uzyskał tytuł doktora fizyki plazmy na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie. W latach 1983-1988 kierował pierwszym międzynarodowym projektem wspieranym przez amerykańską Inicjatywę Obrony Strategicznej. W latach 1988-1993 Loeb był członkiem Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie rozpoczął pracę w dziedzinie astrofizyki teoretycznej. W 1993 roku przeniósł się na Uniwersytet Harvarda (obecnie dziekan wydziału astronomii).
Loeb napisał osiem książek i jest autorem lub współautorem około tysiąca artykułów dotyczących szerokiego zakresu obszarów badawczych w astrofizyce i kosmologii.
Dyrektor założyciel Harvard's Black Hole Initiative, dyrektor Institute for Theory and Computation, prezes Breakthrough Starshot Initiative, przewodniczący Board on Physics and Astronomy of the National Academies.