Jego prace doktorskie dotyczyły chrześcijańskiej refleksji nad osobą (w oparciu o Bierdiajewa) oraz krytycznej analizy idei „chrześcijaństwa jako utopii”.
Znaczący wpływ na jego myślenie wywarł także jezuicki uczony Pierre Teilhard de Chardin, którego ewolucyjna wizja duchowości przewija się przez całe dzieło Segundo.
W 1965 Segundo założył w Montevideo Centro Pedro Fabro, specjalizujące się w badaniach nad socjologią religii. Działalność centrum, ze względu na jego krytyczne stanowisko wobec polityki urugwajskiej, została zakazana przez władze w 1971.
Po zamknięciu ośrodka Segundo wykładał teologię na wielu uniwersytetach w obu Amerykach i Europie, m.in. w Harvardzie, Chicago, Toronto, Montrealu, Birmingham, São Paulo – z wyjątkiem uczelni w rodzinnym Urugwaju. Jednocześnie prowadził duszpasterstwo i aktywnie publikował aż do śmierci w 1996.
Teologia Juan Luis Segundo był głęboko zaangażowany w proces tworzenia teologii wyzwolenia, która łączyła refleksję teologiczną z analizą społeczno-polityczną i walką o prawa ubogich. Postrzegał swoją teologię jako narzędzie emancypacji i samostanowienia ludów Ameryki Łacińskiej.