Kariera naukowa Nigdy nie zajmował się obszarami modnymi preferując te, których znaczenie ujawniało się dopiero wiele lat później. W latach 50. opublikował pracę o koncepcji heterozłączowego tranzystor bipolarnego umożliwiającego pracę przy częstotliwościach dochodzących do gigaherców. W roku 1963 opracował teorię laserów o podwójnej strukturze heterogenicznej stanowiącą podstawę działania współczesnych laserów półprzewodnikowych. Obie koncepcje wyprzedzały swój czas. Ich wdrożenie było możliwe dopiero po wynalezieniu epitaksji z wiązki molekularnej w latach 80. XX wieku.
W czasie pracy w Santa Barbara jego główne badania przesunęły się z teorii w kierunku badań eksperymentalnych. Pod koniec lat 70. XX wieku zajmował się głównie badaniami nad rozwojem epitaksji z wiązki molekularnej badając nowe zestawienia materiałów jak fosforku galu (GaP) i arsenku galu (GaAs) na strukturach krzemowych. Po roku 1985 jego zainteresowania przeniosły się w kierunku arsenku indu (InAs), antymonku galu (GaSb) i antymonku glinu (AlSb).
W roku 2000 wraz z Żoresem Ałfiorowem otrzymał pół Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie struktur półprzewodnikowych stosowanych w optoelektronice.