En aquestes universitats, juntament amb Kurt Alder, descobrí la síntesi diènica o reacció de Diels-Alder, per la qual cosa els fou atorgat conjuntament el premi Nobel l’any 1950. Investigà l’estructura dels esterols i la possible síntesi de la cantaridina; fou el primer a emprar el seleni per a la deshidrogenació de productes naturals.