Die Atomphysik war seine Leidenschaft – auf den französischen Physiker Alfred Kastler sind zahlreiche Weiterentwicklungen im Einsatz der Atomkraft zurückzuführen. Nach seinem Studium arbeitete er zunächst ab 1926 als Physiklehrer. Zum Spezialisten für Atomspektroskopie wurde er während seiner Tätigkeit an der Universität Bordeaux. 1941 ging er nach Paris, gemeinsam mit dem Atomphysiker Jean Brossel entwickelte er spektroskopische Methoden wie die Doppelresonanzmethode und den Effekt des optischen Pumpens. Dieses diente als Grundlage für die Entwicklung von Maser und Laser und in der Kombination mit Verfahren der Hochfrequenztechnik wurden Atomuhren hergestellt, die weit präzisiere Messungen erlaubten.
Kastler erhielt zahlreiche Ehrendoktorate und Ehrenmitgliedschaften. 1954 wurde er mit dem Holweck-Preisausgezeichnet, 1965 mit der Goldmedaille der CNRS. Für seine Entwicklung neuer spektroskopischer Verfahren erhielt er 1966 den Nobelpreis für Physik.