Proposà la teoria granular del citoplasma i descobrí la tècnica de fixació per deshidratació a baixa temperatura. Fou el primer a isolar els àcids nucleics i a donar-los nom.
Féu treballs sobre flora i fauna a Dahomey i als països veïns. Escriví Relación del viaje de Marcelino Andrés por las costas de África, Cuba e Isla de Santa Elena.
Com a membre de l’American Museum of Natural History (del qual fou director des del 1935 fins al 1942) viatjà per Alaska i Àsia, on féu importants descobertes paleontològiques. Fou un bon especialista en cetacis, i aplegà una notable col·lecció de fòssils.
Treballà sobretot en l’estudi dels efectes del tabac sobre la salut. Representà oficialment l’Estat francès en diversos congressos internacionals de la seva especialitat.
Fou professor de botànica descriptiva a la facultat de farmàcia de Barcelona, de la qual fou degà; des del 1920, catedràtic d’antropologia a Barcelona. Els seus estudis antropològics són interessants per l’enfocament biomètric i la metodologia científica que hi desenvolupà. Entre les seves nombroses obres cal citar El pueblo Euskalduna (1891), Etnología (1899) i Problemas de la etnografía de los vascos (1907).
El 1978 compartí el premi Nobel de fisiologia i medicina amb D. Nathans i H. D. Smith, pels seus treballs en el camp de la biologia molecular, i especialment per la seva descoberta del sistema d’ enzims de restricció-modificació d’Escherichia coli, que ha fet possible el desenvolupament de l’enginyeria genètica.
En la seva obra Giornale de'Criselini (1759) establí una classificació de les roques en primitives (poc o gens estratificades, sense fòssils), secundàries (estratificades, fossilíferes) i terciàries (no consolidades o tendres: sorres, argiles, etc).
A partir del 1913 treballà a l’Hospital de l’Institut Rockefeller de Nova York. Descobrí el paper de l’àcid desoxiribonucleic (ADN) en les mutacions experimentades per una soca de pneumococs, la qual cosa fou un pas important per arribar a descobrir la funció d’aquest àcid.