W 1929 roku jako pierwszy wyizolował i skrystalizował pepsynę, udowadniając, że enzymy to białka. W późnych latach 30. wyizolował i skrystalizował trypsynę, chymotrypsynę, karboksypeptydazę oraz ich prekursory (pepsynogen, trypsynogen), a także pierwszy bakteriofag, ustalając, że jest to nukleoproteina.
Wraz z Wendellem Stanleyem w 1946 roku otrzymał Nagrodę Nobla z chemii za izolację, krystalizację i badanie enzymów, białek i wirusów.
Zapisał się jako lider neurofizjologii XX wieku. Dzięki wprowadzeniu zaawansowanej aparatury do badań, zidentyfikował różne typy włókien nerwowych i ich funkcje, co otworzyło nowe możliwości w diagnostyce neurologicznej i zrozumieniu mechanizmów bólu i dysfunkcji nerwowych. Jego wpływ jako badacza i lidera instytutu trwał przez dziesięciolecia.
Wraz z Josephem Erlangerem, w 1944 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za opracowanie fizjologii włókien nerwowych i odkrycie zróżnicowania funkcji poszczególnych włókien.
Jest autorem dendrochronologii, gałęzi dendrologii pozwalającej na określenie wieku drewna na podstawie jego słojów. Stworzona przez niego metoda słojów drzew znajduje zastosowanie w datowaniu zabytków, analizie klimatu i badaniach środowiskowych. Jego badania pokazały, że zmienność grubości słojów odzwierciedla zarówno opady, jak i cykle słoneczne.
W 1937/38 założył Laboratory of Tree‑Ring Research (LTRR) – najstarszy tego typu ośrodek na świecie.Ośrodek ten do dziś utrzymuje największą na świecie kolekcję słojów drewna, stanowiąc punkt odniesienia dla dendrochronologii.
Do brytyjskiej floty wprowadził nowy typ barometru (FitzRoy’s storm barometer), pozwalający przewidzieć nadciągający sztorm. Był też pionierem prognoz pogody, inicjatorem budowy stacji pomiarowych. Dzięki jego pracy 1 sierpnia 1861 roku w "The Times" opublikowano pierwszą prognozę pogody.
Jako kapitan dowodził okrętem HMS Beagle, na której pokładzie, podczas wyprawy do Ziemi Ognistej, znajdował się Karol Darwin. Pod koniec 1835 roku okręt dotarł na wyspy Galapagos.