В 1922 году Полинг под руководством профессоров Р. Д. Дикинсона и Р. К. Толмена начал свою исследовательскую работу в Калтехе. К тому времени Лайнус уже имел опыт в исследовании структур металлов и сплавов. В следующем году в «Журнале американского химического общества» появилась его первая научная статья о структуре молибденита, написанная совместно с Дикинсоном. В работе Полинг использовал метод рентгеновской кристаллографии, который в дальнейшем станет его излюбленным подходом к решению научных проблем. Предполагая структуру исследуемого объекта, ученый изменял ее, рассчитывал дифракционную картину и сравнивал ее с полученной в результате эксперимента.

Под руководством специалиста по рентгеноструктурному анализу Дикинсона Полинг начал писать докторскую диссертацию по химии, посвященную рентгеноструктурному анализу неорганических соединений. В июне 1925 года Полинг с блеском защитил диссертацию, удостоившись докторской степени по химии с наивысшей похвалой.

Благодаря полученным в 1925 году государственной стипендии и стипендии Д. Гуггенгейма в 1926–1927 годах Полинг продолжил свое образование в Европе. Вместе с женой он поехал в Мюнхен, где познакомился с физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, который проводил исследования в квантовой физике – новой области теоретической физики. По мнению Лайнуса Полинга, квантовая механика идеально подходила для исследования химических связей – области химии, которая интересовала его больше всего. Посетив лаборатории Эрвина Шрёдингера в Цюрихе и Нильса Бора в Копенгагене, ученый возвратился в США. В эти годы была опубликована одна из лучших работ Полинга «Теоретическое предсказание физических свойств многоэлектронных атомов и ионов; мольная рефракция, диамагнитная восприимчивость и объемное расширение», которая вызвала неоднозначную реакцию в мире ученых.

По возвращении в США Полинг стал ассистент-профессором химии Калтеха. Он продолжил заниматься рентгеновской кристаллографией, которая позволяла исследовать атомную структуру вещества по его рентгенограмме. Применяя данный метод, Полинг изучил природу химических связей в бензоле и других ароматических соединениях.

Проблемы строения молекул и природа химической связи заинтересовали ученого еще в 1919 году, после прочтения статей И. Ленгмюра. Используя данные Румера, вместе с американским физико-химиком Дж. Слэтером Полинг разработал квантово-механический метод описания структуры молекул – метод электронных пар (валентных связей). Стационарные состояния многоэлектронной системы, описываемые этим методом, не совпадали с состояниями, которые описывались структурными формулами классической теории строения, и представлялись как суперпозиция (наложение) таких состояний.

В 1928 году Лайнус Полинг представил свою теорию резонанса (теорию гибридизации). Согласно этой теории, каждую молекулу можно описать с помощью одной электронной структуры. Проведя исследования бензола, ученый заявил, что бензол обладает двумя возможными структурами, в зависимости от того, какие связи являются двойными, а какие – одинарными.

Кроме научных исследований, Полинг много времени уделял преподаванию. Помимо Калтеха он читал лекции в Массачусетсском технологическом институте, Корнельском и Оксфордском университетах. В 1929 году Лайнус Полинг получил должность адъюнкт-профессора в Калтехе, через два года стал полным профессором химии, а в 1937 году – деканом факультета химии и химической технологии и директором химических лабораторий Гейтса и Креллина Калтеха.

За свои исследования в области кристаллографии в 1931 году ученый первым получил учрежденную премию И. Ленгмюра Американского химического общества. В 1933 году в возрасте 32 лет Полинг был избран членом Национальной академии наук США, став самым молодым членом за всю историю академии.

В последующие годы Полинг продолжил изучение физико-химических свойств молекул, связанных с резонансом. В это время он также начал интересоваться молекулярной биологией.

В 1934 году ученому был выделен трехгодичный грант для исследования структуры гемоглобина. Полинг задался вопросом: почему венозная кровь притягивается к магниту, а артериальная кровь отталкивается от него. Ответ на этот вопрос Полинг опубликовал в 1936 году в статье «О связывании кислорода гемоглобином». Кроме анализа молекулы гемоглобина, Лайнус Полинг занимался исследованием молекул белков. Он совершил открытия в биохимии, иммунологии и вирусологии.

В 1939 году была напечатана одна из самых известных книг Полинга – «Природа химической связи», которая сразу же стала одной из наиболее популярных монографий, посвященных структурной химии.

С начала 1940 года Полинг интересовался целым рядом вопросов в биохимии. Исследовав водородные связи в полипептидах, ученый создал теорию структуры белков. Он предсказал спиральное строение полипептидной цепи в белках и описал спираль. В 1942 году Полинг, Кемпбелл и Прессман удачно получили первые искусственные антитела. Ученым удалось изменить химическую структуру глобулинов – белков, содержащихся в крови.

В 1945 году Полинг и Кемпбелл создали заменитель плазмы – оксипол и желатин.

В следующие годы Полинг начал работать над серповидноклеточной анемией. Когда он узнал, что красные кровяные клетки больных этой болезнью становятся серповидными только в венозной крови, где низок уровень содержания кислорода, то сразу выдвинул идею о том, что серповидная форма красных клеток вызывается генетическим дефектом в глубине клеточного гемоглобина. В 1952 году ученый представил способ различения с помощью электрофореза нормального гемоглобина и гемоглобина, взятого у больных серповидноклеточной анемией. На сегодняшний день работа Полинга о существовании гемоглобина S, который синтезируется в организме человека при серповидной анемии, описывается во всех учебниках молекулярной биологии и молекулярной генетики.

В 1951 году Полинг закончил длившиеся 14 лет исследования молекулярной структуры белка с помощью рентгеновской кристаллографии. В своей работе совместно с американским биохимиком Р. Б. Кори ученый определил трехмерную структуру белка и сформулировал концепцию вторичной структуры белков (теория спирали). Данное открытие символизировало крупнейший прогресс в биохимии.

В начале 1950-х годов Полинг исследовал структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), полагая, что структура ДНК является тройной спиралью. Довести до конца исследования Полинг не успел, – Уотсон и Крик в 1953 году успешно доказали структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали.

Во время Второй мировой войны Полинг был членом Национальной научно-исследовательской комиссии по обороне. Он работал над созданием нового ракетного топлива, создал новые горючие смеси и взрывчатые вещества, предложил новые источники кислорода для подводных лодок и самолетов, разработал плазмозаменители для переливания крови и кровезаменители.

В 1954 году Лайнусу Карлу Полингу была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений». 11 декабря 1954 года ученый прочитал свою знаменитую нобелевскую лекцию «Современная структурная химия».

После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки Полинг становится одним из самых активных борцов против применения атомного оружия. В 1946 году вместе с Альбертом Эйнштейном и другими известными учеными Полинг стал основателем Чрезвычайного комитета ученых-атомщиков, созданного с целью предотвращения испытаний ядерного оружия в атмосфере. Будучи членом Комиссии по национальной безопасности, Полинг читал лекции о возможных опасностях ядерной войны. После смерти Эйнштейна Полинг стал единоличным лидером движения.

В эти годы по просьбе жены ученый большую часть своего времени посвящает предотвращению мировой войны. После того как США и СССР провели испытания водородных бомб, повысился уровень радиоактивности в атмосфере. Полинг обнародовал возможные биологические и генетические последствия выпадения радиоактивных осадков. В 1955 году Лайнус совместно с другими 52 нобелевскими лауреатами подписал Майнаускую декларацию, которая призывала остановить гонку вооружений.