Die Laufbahn des Forschers begann an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Hier studierte er Elektrotechnik und technische Informatik. 1983 schloss eine Promotion über Roboterprogrammierung am Werkzeugmaschinenlabor seine Studien ab.

Zunächst forschte Detlef Zühlke in Aachen weiter an computergestützten Produktionsabläufen und Robotern. Mit seinem Wechsel zur Deutschen Lufthansa AG in 1985 wurde er für viele Jahre als Leiter der Flugzeugwartung tätig. Es folgten weitere berufliche Stationen wie bei Boeing in Seattle, bevor er 1991 einen Ruf als Professor für Produktionsautomatisierung an der TU Kaiserslautern annahm.
Von 2002 bis 2009 leitete Prof. Dr. Detlef Zühlke parallel das Zentrum für Mensch-Maschine-Interaktion am DFKI. An diesem wurde er 2009 zum Wissenschaftlichen Direktor für den Forschungsbereich Innovative Fabriksysteme bestellt.
Mit der SmartFactory-Gründung in 2005 legte er schlussendlich den Grundstein für die Industrie 4.0-Bewegung und entwickelte sie in den letzten elf Jahren zu einem Transferzentrum von internationaler Bedeutung. Dieses Zentrum wurde jüngst von Bundeswirtschaftsminister Sigmar Gabriel als Kompetenzzentrum Mittelstand 4.0 ausgewählt.
Auch als Beirat ist Prof. Dr. Detlef Zühlke in diversen Ämtern tätig, so etwa bei Springer Publishing, dem FMTC Mechatronic Zentrum in Leuven und anderen. Ehrenamtlich engagiert er sich etwa als wissenschaftlicher Leiter des VDI-Useware-Kongresses oder als Vorstandsvorsitzender der Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V.. Regelmäßig arbeitet er als Gutachter für die Deutsche Forschungsgemeinschaft, für das Bundesministerium für Bildung und Forschung, für diverse Stiftungen und viele mehr. Die Ministerpräsidentin des Landes Rheinland-Pfalz Malu Dreyer bestellte ihn erst kürzlich zum Transferbotschafter für das Themengebiet Industrie 4.0.