Các nghiên cứu của Herschbach bao quát trong lĩnh vực lý hóa. Công trình nổi tiếng nhất, khiến ông đã đoạt được giải Nobel, là các thí nghiệm làm chung với Yuan T. Lee về "chùm phân tử giao nhau". Việc giao nhau các chùm chuẩn trực của các chất phản ứng ở pha khí (gas phase) cho phép việc phân chia năng lượng trong các cách chuyển dời, quay vòng và dao động các phân tử của sản phẩm - một khía cạnh quan trọng của sự hiểu rõ phản ứng động lực học. Ông đã áp dụng kiến thức tinh thông lý thuyết và thực hành về hóa học và vật lý học của mình vào những vấn đề khác nhau.

Một nghiên cứu gần đây của ông đã chứng minh rằng mêtan trong thực tế được hình thành một cách tự phát ở môi trường áp suất cao và nhiệt độ cao như những nơi sâu trong lòng Trái Đất; phát hiện này là một dấu chỉ lý thú của việc hình thành hiđrôcacbon do phát sinh tự nhiên, có nghĩa là số lượng thực tế của hiđrôcacbon có sẵn trên Trái Đất có thể lớn hơn nhiều so với nhận định thông thường theo giả định là mọi hiđrôcacbon đều là nhiên liệu hóa thạch.[3]

Trong suốt sự nghiệp nghiên cứu của mình, Herschbach đã xuất bản trên 400 bài khảo luận khoa học.[4]

Mặc dù vẫn làm giáo sư nghiên cứu ở Đại học Harvard, nhưng ngày 01.9.2005 ông đã nhận làm giáo sư vật lý học ở Texas A&M University (Đại học Nông nghiệp và Cơ khí Texas). Năm 2010, ông giữ danh hiệu giáo sư danh dự (Professor Emeritus) tại Đại học Harvard, và vẫn tham gia làm giảng viên và cố vấn cho cộng đồng nghiên cứu ở Đại học Harvard.