En il participe au programme Talpiot de service militaire aménagé au profit des meilleurs étudiants, avant d'obtenir un doctorat en physique des plasmas à l'Université hébraïque de Jérusalem. Entre , Loeb est membre à long terme de l'IAS, où il commença de travailler en astrophysique théorique. En , il rejoint Harvard, où devient professeur d'astronomie titulaire.
ʻOumuamua
En , Loeb propose, à défaut de trouver des explications naturelles à ʻOumuamua (ne correspondant pas à une comète notamment), l'explication d’un vaisseau extraterrestre utilisant une technique de voiles solaires Loeb, Avi : Extraterrestre. Le premier signe d'une vie intelligente, 2021-01. Sa théorie est toutefois contestée par la plupart de ses collègues Benoît Zagdoun : "Oumuamua est-il "le premier signe d'une vie intelligente extraterrestre", comme l'affirme un célèbre astrophysicien de Harvard ?", France Info, 2021-02-05.
Galileo
En Loeb fonde le projet Galileo.
Le , Loeb propose l’hypothèse que la destruction massive de vie terrestre à la fin du Permien (il y a 252 millions d’années) pourrait être due à un réchauffement climatique causé par une ancienne civilisation terrestre, dont les reliquats seraient les ovnis Loeb, A. : "Are UAPs Relics from an Earlier Civilization on Earth?", Medium, 2023-11-21.
Le il participe à la conférence de l'UAPDF, riant lorsque le député républicain Eric Burlison demande à Eric Davis à quel points les extraterrestres dont il a entendu parler sont grands . Il reviendra là-dessus en indiquant qu'il a besoin de preuves à interpréter et ne peut pas juste se baser sur la parole de Davis .
Le , Loeb annonce qu'il dirigera l'UAPSAC, comité scientifique pluridisciplinaire mis en place pour conseiller le nouveau UAP Governance Board interagences (ODNI, FBI, DoD) et l'AARO sur la résolution de la nature des PANs, à partir de données non classifiées .