Основные научные работы посвящены изучению биоэнергетических процессов в клетке. Автор хемиосмотической теории биоэнергетики (1961 - 1966), объясняющей природу сопряжения окисления и фосфорилирования в клетке. Показал, что процессы дыхания и фосфорилирования локализованы в биологической мембране и связаны между собой через электрохимический потенциал ионов водорода на митохондриальной мембране. Первым начал исследования направленности биохимических реакций в пространстве клетки относительно отдельных внутриклеточных структур.

Нобелевская премия по химии (1978).