Laureat nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1954 za badania fundamentalnych właściwości wiązań chemicznych i ich zastosowanie do poznania struktur chemicznych skomplikowanych substancji.
W 1962 otrzymał pokojową nagrodę Nobla za swój wkład w kampanię przeciwko próbom z bronią jądrową, która przyczyniła się do zaprzestania przez USA i ZSRR przeprowadzania próbnych wybuchów jądrowych w atmosferze.

Stworzył współczesną teorię wiązań kowalencyjnych i skalę Paulinga elektroujemności pierwiastków chemicznych. Dokonał też szeregu odkryć w dziedzinie biologii. Wykazał, że niedokrwistość sierpowata może być związana ze zmianami zachodzącymi w strukturze cząsteczek krwi chorego.

W 1973 roku założył prywatny instytut – Linus Pauling Institute of Science and Medicine w Palo Alto, w którym między innymi prowadził badania nad biologiczną rolą witaminy C. Entuzjazm Paulinga dla witaminy C nie znalazł potwierdzenia w faktach i po jego śmierci Instytut w Kalifornii został zamknięty, a w jego miejsce otwarto wydział o podobnej nazwie na Oregońskim Uniwersytecie Stanowym w Corvallis, który zajmuje się badaniami rozmaitych mikroskładników (witamin i minerałów) w pożywieniu.