Fou membre fundador de la Institució Catalana d’Història Natural i un dels fundadors i conservador del Museu d’Artà; es dedicà sobretot a l’estudi de les plantes i dels insectes de Mallorca. Publicà diversos treballs: Contribució a la flora balear (1905-49), Insectes de Mallorca (Artà i Capdepera) (1907), Els Limonium de la península d’Artà (Mallorca) (1974), etc.
Amb J.Erlanger investigà l’electrofisiologia de les fibres nervioses, i ambdós reberen el premi Nobel de medicina el 1944. També en col·laboració amb J.Erlanger publicà Electrical Signs of Nervous Activity (1937).
Com a sociòleg, basant-se en les seves recerques a Escòcia, l’Índia i Palestina, estudià sobretot els problemes del desenvolupament de les comunitats humanes: City Development (1904) i Cities in Evolution (1913). Com a biòleg escriví, amb J.A.Thomson, The Evolution of Sex (1900).
Estudià amb A.N. Kolmogorov. Els seus treballs sobre espais lineals normals han estat el fonament d’aplicacions en anàlisi funcional de diverses branques matemàtiques. Professor a l’Acadèmia de Ciències de l’URSS (1935-41) i des d’aquest any de la Universitat Estatal de Moscou, el 1960 fundà l’Institut de Física Biològica i, basant-se en aplicacions matemàtiques, emprengué recerques en el camp de la fisiologia cel·lular.
Els cinc volums de les seves Historiae animalium , (1551-87) que agrupen els animals segons la classificació aristotèlica, representen un treball enciclopèdic d’un gran valor. Fou també un dels primers a reconèixer l’origen animal dels fòssils i, en el camp de la botànica, fou l’únic naturalista del seu temps que valorà els fruits i les flors com a caràcters d’importància en la descripció i la classificació dels vegetals.
Compartí el premi Nobel de química del 1980 amb F. Sanger i amb P. Berg, pels treballs que permeteren d’establir un mètode d’identificació de la seqüència de bases de l’ADN, en què certs reactius químics no enzimàtics escindeixen les cadenes només per les posicions ocupades per un nucleòtid determinat.
Fou director del Kaiser Wilhelm Institut de Berlín i professor de genètica i citologia a la Universitat de Berkeley, a Califòrnia. Investigà en els camps de la genètica, de l’embriologia i de la citologia.