Danach war er wissenschaftlicher Assistent bei Julius Sachs an der Universität Würzburg, wo er sich 1877 für Botanik habilitierte. In Würzburg entstanden seine Arbeiten über die Flechtenbildung. 1877 wurde er Privatdozent und 1880 außerordentlicher Professor in Straßburg. 1881 erhielt Stahl einen Ruf auf den Lehrstuhl für Botanik an der Universität Jena, wo er auch Direktor des Botanischen Gartens wurde. Im Jahr 1882 wurde er zum Mitglied der Leopoldina gewählt.
Stahl widmete sich neben Fragen zur Entwicklung der Pilze und Flechten. Durch die Einführung experimenteller Methoden in die Ökologie gilt Stahl als Begründer der Ökophysiologie. Auf diesem Gebiet untersuchte er zunächst den Einfluss des Lichtes auf die Pflanzen, dann das Problem der Schutzmittel von Pflanzen gegen Tierfraß. Er erforschte auch den unterschiedlichen Einfluss trockener und feuchter Standorte auf die Bildung der Blätter. Zu seinen bedeutendsten Forschungsergebnissen gehört die Aufklärung der Mykorrhiza der Waldbäume als einer Symbiose zwischen Pilzen und Pflanzenwurzeln. Weiter erforschte Stahl die Bedeutung der Stomata. Im Übrigen war Stahl einer der Pioniere bei der Erforschung Sekundärer Pflanzenstoffe.
Pflanzen und Schnecken. Eine biologische Studie über die Schutzmittel der Pflanzen gegen Schneckenfraß. Jena 1888.
Die Schutzmittel der Flechten gegen Tierfrass. In: Denkschriften der Medizinisch-Naturwissenschaftlichen Gesellschaft zu Jena, 11, (= Festschrift zum siebzigsten Geburtstage von Ernst Haeckel, Herausgegeben von seinen Schülern und Freunden), Fischer, Jena 1904, S. 355–377 (Digitalisat)
Axel Mithöfer: Ein Pionier der chemischen Ökologie: Zum 100. Todestag von Christian Ernst Stahl. In: Biologie in unserer Zeit. Band 50, Nr. 2, 2020, S. 91–92, doi:10.1002/biuz.202070208.