ดร.ธวัชชัย ชัยจรัสพงษ์ จบการศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาเคมี (หลักสูตร Chemical Biology) จากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย ณ เบิร์กลีย์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ภายใต้การดูแลของผู้ช่วยศาสตราจารย์เดวิด แซเวจ ด้วยหัวข้อวิทยานิพนธ์ชื่อ Towards an In Vitro Reconstitution of Alpha-Carboxysomesงานวิจัยชื้นนี้เป็นการศึกษากลไกการเกิดโครงสร้างเชิงซ้อนขนาดใหญ่ชื่อคาร์บอกซีโซมโดยเป็นการบูรณาการความรู้จากสาขาวิชาชีวโมเลกุล จุลชีววิทยา และชีวเคมี นอกจากนี้ ดร. ธวัชชัยยังมีประสบการณ์ด้านการตัดต่อพันธุกรรมของจุลินทรีย์ การตัดต่อโปรตีน และการปรับปรุงเอนไซม์โดยการวิวัฒนาการแบบเร่งด่วน
ก่อนที่จะเข้าศึกษาในระดับปริญญาเอก ดร. ธวัชชัยเป็นนักเรียนในสาขาวิชาเคมีและมีความสนใจหลักในเคมีอินทรีย์ โดยเริ่มจากการไปแข่งขันโอลิมปิกวิชาการระหว่างประเทศในสาขาวิชาเคมีในปี 2548 และ 2549 จากนั้นได้รับทุนพสวท. เพื่อไปศึกษาต่อ ณ ประเทศสหรัฐอเมริกา ในระดับปริญญาตรี ดร. ธวัชชัยได้เข้าศึกษาสาขาเคมีที่มหาวิทยาลัยแสตนฟอร์ด มลรัฐแคลิฟอร์เนีย และได้เป็นผู้ช่วยวิจัยในกลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์แบร์รี่ โทรสต์ เพื่อทำการศึกษาปรับปรุงวิธีสังเคราะห์สารไบรโอสแตติน จากนั้น ได้เข้าร่วมกลุ่มวิจัยของผู้ช่วยศาสตราจารย์เบียงเชียว ฉุย เพื่อพัฒนาเทคนิคฟลูออเรสเซนต์สำหรับติดตามการลำเลียงเอนโดโซมในเซลล์ประสาทจากสมองชั้นคอร์เท็กซ์ของหนู
ในปัจจุบัน ดร. ธวัชชัยมีความสนใจที่จะนำทักษะและความรู้จากสาขาเคมีและชีววิทยาเพื่อมาใช้ศึกษาวิจัยเรื่องโรคติดเชื้อในกุ้ง เช่นการตัดต่อพันธุกรรมของกุ้งให้มีภูมิต้านทานต่อโรคไวรัส และการใช้biorthogonal chemistry เพื่อศึกษาการตอบสนองต่อการติดเชื้อของเซลล์ของกุ้งในระดับ post translation