Opiskellessaan teknisessä korkeakoulussa Eliel Saarinen tutustui kahteen muuhun nuoreen arkkitehtiin,Herman Geselliukseen jaArmas Lindgreniin. Kolmikko perusti 1896 arkkitehtitoimistoGesellius, Lindgren & Saarinen. Valmistuttuaan koulusta 1897 kolmikko osallistui arkkitehtikilpailuun, joka järjestettiinPariisin vuoden 1900 maailmannäyttelyyn tulevasta Suomen paviljongista. Gesellius, Lindgren ja Saarinen voittivat kilpailunkansallisromanttisella ehdotuksellaan. Linnamainen, kansallisilla aiheilla koristettu paviljonki, jonka suurta hallia hallitsivatAkseli Gallen-Kallelan Kalevala-freskot, sai valtavan julkisuuden. Paviljonki oli yksi maailmannäyttelyn suosituimmista.[4] Rakennuksesta tuli kansallisromanttisen arkkitehtuurin suunnannäyttäjä ja arkkitehtitoimistolle alkoi tulvia työtarjouksia.
Herman Geselliuksen, Armas Lindgrenin ja Eliel Saarisen yhteiset työt kuuluvat Suomen kansallisromanttisen arkkitehtuurin mestariteoksiin. Näihin kuuluivat muun muassa vakuutusyhtiöPohjolan toimitalo (1901) jaKansallismuseo (1905–1910) Helsingissä, Suur-Merijoen kartanoViipurin maalaiskunnassa (1904, tuhoutui sodassa) sekä arkkitehtikolmikon oma ”erämaa-ateljee”Hvitträsk (1902)Kirkkonummella. Toimisto suunnitteli myös useita asuintaloja Helsinkiin ja kehitti kokonaisvaltaista kansallisromanttista sisustustaidetta etenkin Suur-Merijoen kartanossa ja Hvitträskissä.
Saarinen avioitui Mathilda Gyldénin kanssa Viipurissa vuonna 1899. Avioliitto päättyi eroon, mahdollisesti keskenmenon aiheuttaman surun seurauksena. Vuonna 1904 Saarinen nai Herman Geselliuksen sisarenLoja Geselliuksen, ja Mathilda puolestaan avioitui Herman Geselliuksen kanssa. Nelikko asui yhdessä Hvitträskissä, mikä herätti tuohon aikaan paheksuntaa. Ajan mittaan välit erityisesti Mathildan ja Lojan välillä viilenivät.[5]
Arkkitehtitoimisto hajosi vuonna 1905, ja Saarinen alkoi toimia itsenäisenä arkkitehtina. Samalla hänen tyylinsä alkoi muuttua rönsyilevästä kansallisromantiikasta rationaalisempaan ja klassillisempaan suuntaan. Tämä näkyy selvästi Saarisen tunnetuimmasta työstä,Helsingin päärautatieasemasta (1905–1914). Samoja arkkitehtonisia ideoita Saarinen käytti myös muissa saman ajan töissään, kutenViipurin rautatieasemassa (1913, tuhoutuijatkosodassa) sekäLahden (1912) jaJoensuun (1914) kaupungintaloissa.
Arkkitehtuurin lisäksi Saarinen loi myös muutakäyttötaidetta. Suomen vuosien 1909 ja 1922setelisarjat olivat Saarisen suunnittelemia. Ensimmäinen edustijugend-tyyliä kansantalouden eri osa-alueisiin liittyvine aiheineen, jälkimmäinen lähinnäkansallisromantiikkaa alastomine ihmisryhmineen ja maisemineen.[6] Hän suunnitteli myösSaarisen mallina tunnetun itsenäisen Suomen ensimmäisen postimerkkisarjan vuonna 1917.
Eliel Saarinen avioitui liikekumppanin sisaren, kuvanveistäjäLoja Geselliuksen kanssa. Hvitträskin erämaa-ateljeesta muodostui nopeasti käsityöläisten ja arkkitehtien keskus, jossa vierailivat muun muassa venäläinen kirjailijaMaksim Gorki, kriitikko Julius Meier-Graefe, marsalkkaCarl Gustaf Emil Mannerheim ja säveltäjäJean Sibelius.[7]
1910–1920-luvulle sijoittuvat Saarisen kuuluisat toteutumattomat kaupunkisuunnitelmat, joissa hän hahmotteli Helsingin kasvamista eurooppalaisen luokan suurkaupungiksi. Saarinen teki kuitenkin mittavia kaupunkisuunnitelmia myös ulkomaille. Vuonna 1911 Saarinen osallistuiCanberran asemakaavasta järjestettyyn kansainväliseen arkkitehtuurikilpailuun ja sijoittui toiseksi. Seuraavana vuonna hän laati kunnianhimoisen Suur-Tallinnan yleiskaavaehdotuksen, joka sisälsi muun muassa tarkat väestöennusteet.[8]
Näiden töiden ajatuksia Saarinen kehitteli edelleenMunkkiniemi–Haaga-suunnitelmassa (1915), jossa hän luonnosteli valtavan esikaupunkimetropolin Munkkiniemen ja Haagan alueelle kantakaupungin luoteispuolelle.Pro Helsingfors -suunnitelmassa (1918) hän kaavaili Helsingin ympärille vyöhykemäisesti leviäviä esikaupunkeja, joilla oli jokaisella oma keskuksensa, sen ympärillä olevat huvila-alueet, joita erottivat toisistaan viheralueet ja joita yhdisti raideliikenneverkko. Saarisen esikaupungit, joiden esikuvana oli tuohon aikaan Englannissa muodissa ollutpuutarhakaupunkiajattelu, ennakoivat lähiörakentamisen aikaa, joka alkoi Helsingissä vasta puoli vuosisataa myöhemmin.
Eliel Saarinen vuonna 1973 julkaistussa postimerkissä. Taustalla toteutumaton suunnitelma eduskuntatalosta HelsinginTähtitorninvuorella.
Saarinen voitti vuonna 1908 arkkitehtikilpailun uudestaeduskuntatalosta. Hänen ehdotuksessaan monumentaalinen, kansallisromanttinen eduskuntatalo oli sijoitettuTähtitorninvuoren huipulle. Suunnitelmaa ei kuitenkaan toteutettu, ja eduskuntatalosta järjestettiin myöhemmin uusi kilpailu, jonka voittiJ. S. Sirén. Vuonna 1921 Saarinen suunnitteliKalevalaseuran tilauksestaKalevalatalon, josta oli tarkoitus tulla kansanperinteeseen ja kansanrunouteen keskittyvien tieteiden ja taiteiden tyyssija. Saarisen piirtämä temppelimäinen jättirakennus, joka oli koristeltu kansallisromanttisella symboliikalla ja joka oli tarkoitus sijoittaaMunkkiniemeen, ei koskaan edennyt suunnitelmaa pitemmälle.
Saarinen laati vuonna 1917 ehdotuksenTurun uudeksiraatihuoneeksi, koskavanha raatihuone oli vaurioitunutpahoin Turun suuressa palossa vuonna 1827. Ns. Samuel Bernerin raatihuoneen keskiaikainen kellari ja seinämuurit säilyivät, ja niiden pohjalle rakennettiin asuintalo, joka myöhemmin korotettiin kolmikerroksiseksi. Tornia ei ole vielä palautettu. Saarisen suunnittelema uusi raatihuone olisi edustanutjugendtyyliä ja olisi torneineen muistuttanut jonkin verran Helsingin nykyistä päärautatieasemaa. Ehdotusta ei kuitenkaan koskaan toteutettu, eivätkä lukuisat muutkaan suunnitelmat ja pyrkimykset uuden raatihuoneen rakentamiseksi Turkuun ole tähänkään päivään mennessä tuottaneet tulosta.
Saarisen kansainvälinen läpimurto oli vuonna 1922 järjestettyChicago Tribune -lehdenpilvenpiirtäjän suunnittelua koskenut kilpailu. Saarinen sijoittui kilpailussa toiseksi. Hänen rohkeasti massoitellulla suunnitelmallaan oli syvällinen vaikutusYhdysvaltojen pilvenpiirtäjien suunnitteluun[9].
Saarinen laati myösChicagon tuolloin joutomaana olleelle ranta-alueelle mittavan parannussuunnitelman.
Työkiireistään huolimatta Saarinen ei unohtanut kotimaataan, vaan hän kävi joka kesä lomallaHvitträskissä 1940-luvulle saakka. Kun hän oli erään kerran jälleen lähdössä Suomeen, Yhdysvaltain viranomaiset ilmoittivat, ettei hänellä ollut paluuta Yhdysvaltoihin, ellei hän anoisiYhdysvaltain kansalaisuutta. Saarisesta tuli Yhdysvaltain kansalainen vuonna 1945, eikä hän sen jälkeen enää koskaan käynyt Suomessa.[10]
SanomalehtikustantajaGeorge Gough Boothin aktiivisuuden ansiosta Saarinen muutti vuonna 1923 Yhdysvaltoihin kehittämään ja suunnittelemaanCranbrookin Taideakatemiaa ja muita uuden kampusalueen rakennuksia. Booth oli hankkeenmesenaatti ja samalla sen ensisijainen pääsuunnittelija, joka pyysi Saarista hankkeen pääarkkitehdiksi.[11] Saarisen tehtäviin kuuluivat sekä alueen että rakennusten suunnittelu ja opettaminen. Cranbrook oliBauhausin amerikkalainen vastine ja perillinen. 1930-luvulla Saarinen siirtyi vähitellen yhä enemmän opetustoimen johtoon, ja hän veti Cranbrookiin oman perheensä lisäksi monia suomalaisia suunnittelijoita.[2] Saarinen suunnitteli Cranbrookiin 1920–1930-luvuilla useita rakennuksia, muun muassa Cranbrook School for Boys, Kingswood School for Girls, The Institute for Science ja The Academy of Art.[9] Boothin ja Saarisen yhteistoiminta oli 1900-luvun onnistuneimpia yhteistyöhankkeita.
Saarinen suunnitteli 1940-luvulla Yhdysvaltoihin kaksi huomattavaa kirkkorakennusta,Columbukseen First Christian Churchin jaMinneapolisiin Christ Lutheran Churchin.[9] Hän työskenteli myös yhdessä arkkitehtipoikansaEero Saarisen kanssa. Heidän töitään ovat muun muassa Kleinhansin konserttitaloBuffalossa ja First Christian Church (Tabernacle-kirkko)Indianassa. Saaristen toimiston päätyö vuodelta 1949, jonka lopulliset piirustukset laati Eero Saarinen, onGeneral Motorsin teknillinen keskusDetroitissa.