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.
В 1957 году Полинг составил проект обращения американских ученых к президенту США, в котором требовал прекратить испытания атомного оружия. Проект подписали 11 021 ученый из 49 стран мира, и в январе 1958 года Лайнус Полинг передал этот документ Генеральному секретарю ООН Дагу Хаммаршельду.
Благодаря Полингу было создано Пагуошское движение за научное сотрудничество и международную безопасность, которому удалось-таки способствовать подписанию договора о запрещении ядерных испытаний. В 1958 году США, СССР и Великобритания добровольно прекратили атомные испытания.
Свои взгляды Полинг выразил в книге «Не бывать войне» (1958). Ученый читал лекции в США и по всему миру, написал более 1000 статей в защиту мира. Во время атомных испытаний он был одним из тех, кто пикетировал Белый дом. За свои взгляды и поведение Полинг подвергался нападкам промилитаристских кругов США и СССР. Его несколько раз вызывали в подкомиссию по вопросам внутренней безопасности сената США.
Летом 1961 года вместе с женой Полинг выступил организатором конференции против ядерного вооружения в Осло. Несмотря на его действия, и СССР, и США через некоторое время возобновили испытания в атмосфере. Тогда Полинг начал вести дозиметрический контроль уровней радиоактивности и осенью 1962 года огласил информацию, которая показывала, что уровень радиоактивности в атмосфере поднялся вдвое по сравнению с прошлыми 16 годами. В июле 1963 года США, СССР и Великобритания подписали договор о запрещении таких испытаний, автором проекта договора был Лайнус Полинг.
«За борьбу против испытаний ядерного оружия» в 1963 году Полинга наградили Нобелевской премией мира за 1962 год. 11 декабря 1963 года знаменитый ученый прочитал свою нобелевскую лекцию «Наука и мир», в которой детально поведал о проблемах, грозящих человечеству в результате ядерного вооружения.
В этом же 1963 году ученый подал прошение об отставке из Калтеха и стал профессором-исследователем в Центре изучения общественных институтов в Санта-Барбаре (штат Калифорния), где занялся решением проблем международного разоружения. Он провел ряд исследований по радиоактивному заражению и доказал, что радиоактивные элементы вызывают лейкемию, рак щитовидной железы и другие болезни.
В 1965 году Полинг подписал Декларацию гражданского неповиновения «Совесть против войны во Вьетнаме».
С 1967 года гениальный ученый занимал должность профессора химии в Калифорнийском университете (Сан-Диего), где занимался исследованиями в области молекулярной медицины, но в знак протеста против образовательной политики губернатора Калифорнии Р. Рейгана оставил университет и стал профессором химии Стэндфордского университета в Пало-Альто (штат Калифорния).
Кроме двух Нобелевских премий Полинг был лауреатом многих премий и наград. Среди них можно выделить награду за достижения в области чистой химии Американского химического общества (1931), медаль Дэви Лондонского королевского общества (1947), медаль Г. Льюиса (1951), международную Ленинскую премию СССР «За укрепление мира между народами» (1970), национальную медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1975), золотую медаль имени Ломоносова Академии наук СССР (1978), премию по химии американской Национальной академии наук (1979) и медаль Пристли Американского химического общества (1984).