Pauling biết đến cơ học lượng tử khi đang theo học Đại học. Ở Zurich, Pauling cũng đã được tiếp xúc với những phân tích cơ học lượng tử đầu tiên của liên kết hydro phân tử, được thực hiện bởi Walter Heitler và Fritz London. Ông trở thành một trong những nhà khoa học đầu tiên trong lĩnh vực hóa học lượng tử và là người tiên phong trong việc áp dụng các lý thuyết lượng tử cho cấu trúc của các phân tử.

Ông bắt đầu sự nghiệp giảng dạy trong năm năm, tiếp tục với việc nghiên cứu tinh thể, cũng như thực hiện phép tính cơ học lượng tử về nguyên tử và phân tử. Năm 1929-1930, ông trở thành giáo sư.

Pauling giới thiệu khái niệm về độ âm điện vào năm 1932. Sử dụng các thuộc tính khác nhau của phân tử, chẳng hạn như để có năng lượng cần thiết để phá vỡ tính liên kết và lưỡng cực của các phân tử, ông đã thiết lập Thang đo độ âm điện Pauling, hữu ích trong việc dự đoán các tính chất trong mối liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Ông đã có nhiều nghiên cứu quan trọng về bản chất của các liên kết hóa học, các phân tử sinh học, phân tử di truyền học và cấu trúc của hạt nhân nguyên tử. Năm 1954, ông được trao giải Nobel Hoá học cho những nghiên cứu bản chất của liên kết hoá học và áp dụng nó vào việc xác định cấu trúc các phức chất.

Năm 1936, Pauling lên chức Chủ tịch Phòng Hóa học và Kỹ thuật hóa học tại Caltech, và cả vị trí Giám đốc Phòng thí nghiệm Hóa học Gates - Crellin. Ông giữ cả hai vị trí đó đến năm 1958.

Nghiên cứu y học và ủng hộ sử dụng vitamin C

Năm 1941, ở tuổi 40, ông bị bệnh Bright , một dạng bệnh thận. Theo lời của Thomas Addis, ông đã có thể kiểm soát được bệnh với bằng chế độ ăn mặn cùng hàm lượng protein thấp và bổ sung nhiều vitamin. Do đó ông bắt đầu ủng hộ mạnh mẽ việc điều trị bệnh bằng cách bổ sung vitamin.

Năm 1965, Pauling đọc cuốn sách của Abram Hoffer và đưa ra giả thuyết rằng vitamin có thể tạo những hiệu tượng hóa sinh quan trọng giúp phòng chống các loại bệnh liên quan.  Năm 1968 Pauling công bố một bài báo khoa học mang tên "Tâm thần học Orthomolecular", những nghiên cứu ấy có thể điều trị cho bệnh nhân bị bệnh tâm thần.  Ông lần đầu đặt ra thuật ngữ "orthomolecular" để chỉ việc nồng độ các chất trong cơ thể thường thay đổi khác nhau để phòng chống và chữa bệnh.

Năm 1973, cùng với Arthur B. Robinson và một đồng nghiệp khác, Pauling thành lập Viện Orthomolecular Y ở Menlo Park, California, rồi đổi tên thành Viện Linus Pauling về Khoa học và Y học. Ông nghiên cứu về vitamin C, và vẫn tiếp tục công việc lý thuyết này cho đến tận khi ông qua đời. Trong những năm cuối đời, ông đặc biệt quan tâm đến vai trò của vitamin C trong việc ngăn ngừa xơ vữa động mạch và làm giảm cơn đau thắt ngực. Những người ủng hộ ông tin rằng bệnh tim có thể được điều trị và thậm chí chữa khỏi chỉ bằng cách sử dụng Lysine và Vitamin C mà không cần thuốc hoặc phải phẫu thuật tim.

Ông giúp vitamin C phổ biến rộng rãi với công chúng và tuyên bố rằng vitamin C thậm chí có thể giúp bệnh nhân kéo dài được sự sống nhiều gấp bốn lần so với bệnh nhân không được điều trị như vậy.

Hoạt động

Hoạt động thời chiến

Pauling vốn không theo bất cứ trường phái chính trị nào cho đến khi xảy ra Chiến tranh thế giới thứ hai . Trong thời kỳ đầu của dự án Manhattan, Robert Oppenheimer (Cha đẻ của vũ khí nguyên tử) đã mời ông phụ trách cho bộ phận Hóa Học của dự án, nhưng ông từ chối. 

Các dự án trong thời chiến khác với nhiều ứng dụng trong quân sự mà ông nghiên cứu bao gồm chất nổ, chất nổ đẩy tên lửa,... Vào tháng 10, năm 1948, Pauling được trao Huân chương Bằng khen từ Tổng thống Harry S. Truman. Vào năm 1949, ông là chủ tịch của Hiệp hội Hóa học Mỹ.

Hoạt động chống hạt nhân

Trước sự chạy đua khủng khiếp của hạt nhân, ông trở thành nhà hoạt động hòa bình. Năm 1946, ông tham gia Ủy ban khẩn cấp của các nhà khoa học nguyên tử, được chủ trì bởi Albert Einstein, mục đích để cảnh báo mọi người về sự nguy hiểm của vũ khí hạt nhân.

Ông cũng ký Tuyên ngôn Russell-Einstein ban hành vào năm 1955, cũng như ủng hộ Hiệp ước Mainau, với sự tham gia của 52 người đoạt giải Nobel. Vào tháng 5, năm 1957, Pauling bắt đầu đưa bản kiến nghị với các nhà khoa học để ngừng thử nghiệm hạt nhân. Ngày 15 tháng 1 năm 1958, Pauling và vợ trình bày bản kiến nghị đến Tổng thư ký Liên Hợp Quốc lúc bấy giờ là Dag Hammarskjöld kêu gọi chấm dứt việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Vào tháng Hai, năm 1958, Pauling tham gia vào cuộc tranh luận trên truyền hình với nhà vật lý nguyên tử Edward Teller về xác suất các đột biến do bụi phóng xạ gây ra. Cũng trong năm đó, ông xuất bản cuốn sách "Không chiến tranh!" (No more war!). Ngày 10 tháng 10 năm 1963, Ủy ban Nobel trao Pauling Giải Nobel Hòa bình cho năm 1962. (Do không có giải thưởng về hòa bình nào được trao vào năm đó.). Họ mô tả ông:"Linus Carl Pauling, người đã không ngừng hoạt động kể từ năm 1946, không chỉ chống thử nghiệm vũ khí hạt nhân, sự lây truyền các vũ khí, việc sử dụng vũ khí quá độ, mà còn tất cả các mầm mống chiến tranh vốn được sử dụng để giải quyết các xung đột quốc tế". Ông công nhận sự tham gia của vợ mình trong công tác hòa bình, và hối tiếc rằng cô không được trao giải Nobel hòa bình cùng ông.

Hoạt động trong thời kỳ Chiến tranh Việt Nam

Vào năm 1960, việc tăng cường những ảnh hưởng của Mỹ trong chiến tranh Việt Nam đã dấy ra một phong trào phản đối trong nhân dân mà trong đó ông hoạt động rất mạnh mẽ. Ông lên án và chỉ rõ chiến tranh này là hoàn toàn phi nghĩa. Mặc dù những hoạt động của ông bị bỏ ngoài tai bởi chính phủ Mỹ.

Pauling đã được trao giải Nobel Hòa bình Quốc tế Lenin của Liên Xô vào năm 1970 và vẫn tiếp tục các hoạt động hòa bình trong những năm tiếp theo. Ông và vợ giúp thành lập ra Liên đoàn quốc tế về nhân văn vào năm 1974. Ông là chủ tịch hội đồng tư vấn khoa học của Hiệp hội Bảo vệ cuộc sống và cũng là một trong những người ký tên trong Tuyên bố Dubrovnik-Philadelphia. Đồng thời là Chủ tịch danh dự của học viện Khoa học Quốc tế, Munich cho đến cuối đời.