Les seves recerques abasten la biofísica, la química de la coordinació i els aspectes teòrics de la química orgànica. Obtingué el premi Nobel de química el 1961 pels seus treballs sobre els processos bioquímics de la fase fosca de la fotosíntesi (cicle de Calvin), que esclariren els mecanismes químics pels quals les plantes converteixen l’energia lluminosa, el diòxid de carboni i l’aigua, en els components essencials per a la vida i el creixement. Col·laborà en el projecte Manhattan, per a l’obtenció de la primera bomba nuclear. És autor, entre altres obres, de The theory of Organic Chemistry (1941) i Chemical Evolution (1961).