Praca naukowa Jest określana jako twórczyni endosymbiotycznej teorii o pochodzeniu mitochondriów i chloroplastów, w której przyjmuje się, że organella te powstały w wyniku symbiozy przodków współczesnych przedstawicieli Eucariota z przodkami współczesnych cyjanobakterii (chloroplasty) oraz bakterii purpurowych (mitochondria). Symbiotyczni przodkowie cyjanobakterii umożliwiali proces fotosyntezy, a przodkowie bakterii purpurowych – oddychanie tlenowe. Z biegiem ewolucji pełnione przez te symbionty funkcje metaboliczne stały się nieodzowne dla gospodarza, a same symbionty stały się organellami komórkowymi. Teoria ta, przyjęta początkowo krytycznie, obecnie jest powszechnie uznawana.
Była współpracowniczką Jamesa Lovelocka i propagatorką hipotezy Gai, opartej na koncepcjach opisanych m.in. w pracy pt. Gaia. A New Look at Life on Earth. Zgodnie z hipotezą Gai cała biosfera jest samoregulującym się superorganizmem, w którym działalność świata żywego wpływa na takie aspekty środowiska Ziemi jak klimat, atmosfera, zasolenie oceanów itp. (zob. ekosystem i jego struktura, równowaga biocenotyczna, homeostaza).
Była także współautorką jednego z obecnie istniejących systematycznych podziałów ziemskich organizmów na pięć królestw Whittakera.