Същата година започва работа в Центъра за подводна археология в Созопол. През 2007 година под ръководството на проф. Хенриета Тодорова защитава дисертация на тема “Ранната медна металургия по Западния бряг на Черно море – V – началото на ІV хил. пр. Хр.” От 2010 година работи в Националния археологически институт с музей на БАН. Основните научни интереси на Калин Димитров са насочени към най-ранната златна и медна металургия, праисторическия селищен живот по българското морско крайбрежие и промяната на нивото на морето.

Калин Димитров е участвал е множество в археологически теренни проучвания в България и чужбина. През последните няколко години съвместно с Археологическия музей във Варна работи по подготовката на цялостната публикация на Варненския некропол.

От юли 2016 до март 2020 година Калин Димитров е директор на ЦПА. Към момента продължава кариерата си като археолог към ЦПА.