W 1962 roku odkrył neutrino mionowe, co udowodniło, że nie istnieje tylko jeden typ neutrina. Wraz z Jackiem Steinbergerem i Melvinem Schwartzem otrzymał w 1988 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za metodę wiązki neutrinowej i przedstawienie dubletowej struktury leptonów poprzez odkrycie neutrina mionowego.
W 1977 roku w Fermilabie zespół naukowców pod jego przewodnictwem odkrył kwark b.
W 1993 roku wydał książkę "Boska cząstka", w której spopularyzował pojęcie bozonu Higgsa.
Początkowo związany był z Uniwersytetem Kalifornijskim w Los Angeles, resztę kariery naukowej związał z Uniwersytetem Rockefellera w Nowym Jorku.
Zasłynął opracowaniem syntezy peptydów na fazie stałej (Solid-Phase Peptide Synthesis, SPPS), jednej z najważniejszych metod współczesnej chemii i biologii molekularnej.
Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymał w 1984 roku za rozwinięcie metodologii związanej z syntezą chemiczną na podłożu stałym.
Był pracownikiem Uniwersytetu Poznańskiego oraz radiokontrwywiadu wojskowego - Biura Szyfrów nr 4.
W 1933 roku, wraz z Marianem Rejewskim i Jerzym Różyckim złamał kod niemieckiej maszyny szyfrującej Enigma - stworzyli podstawy sukcesu alianckiej kryptologii podczas wojny. Jego największym osiągnięciem było opracowanie w 1938 roku tzw. płacht Zygalskiego – zestawu perforowanych arkuszy papieru służących do ustalania dziennych ustawień Enigmy.
Historycy szacują, że złamanie Enigmy mogło skrócić II wojnę światową o około 2–3 lata i uratować miliony istnień ludzkich.
Po wojnie zamieszkał w Wielkiej Brytanii, gdzie wykładał statystykę matematyczną na Uniwersytecie Surrey. Przez wiele lat nie mógł publicznie mówić o swojej działalności kryptologicznej z powodu obowiązujących przepisów o tajemnicy państwowej.
Edukację odebrał we Francji i Belgii, jeszcze pod nazwiskiem Artzt, które zmienił po wysłaniu wniosku do rządu belgijskiego, podkreślając swoją polską tożsamość.
Wziął udział w słynnej belgijskiej wyprawie antarktycznej, podczas której prowadził zarówno badania geologiczne, glacjologiczne i oceanograficzne. Badał również zorze polarne. Podczas tej wyprawy dokonano pierwszego zimowania na Antarktydzie.
Jest autorem ponad 300–400 publikacji naukowych z wielu dyscyplin.
Zmarł w USA 21 lutego 1958 roku. W testamencie poprosił, aby jego prochy zostały sprowadzone do Polski. Życzenie to zostało spełnione – wraz z prochami żony spoczął na Cmentarzu Wojskowym na Powązkach w Warszawie.
Polska Stacja Antarktyczna na Wyspie Króla Jerzego, założona w 1977 roku nosi jego imię i prowadzi badania w takich dziedzinach jak meteorologia, oceanografia, biologia i glacjologia .