Desde muy proto a Pauling le interesó la química y mientras estudiaba bachillerato, realizaba experimentos de química, pidiendo prestada la mayoría de los materiales y los equipos en una acerería abandonada cerca del lugar donde su abuelo trabajaba como velador.
- Naturaleza del enlace químico. Estas investigaciones le llevaron a escribir el libro The Nature of the Chemical Bond (1939). Este libro es considerado uno de los más importantes trabajos de química jamás publicados.
- Estructura del núcleo atómico. Pauling empezó estas investigaciones escribiendo «He decidido tratar el problema de la estructura del núcleo»
- Investigaciones en biología molecular
- Genética molecular. En noviembre de 1949, junto con Harvey Itano, S. J. Singer e Ibert Wells, Pauling publicó en la revista Science la primera prueba de la relación entre una enfermedad humana y un cambio en una proteína específica.
- Automóvil eléctrico. A finales de la década de 1950, Pauling comenzó a interesarse por el problema de la contaminación del aire
- Medicina y vitaminas. Al pasar de los cuarenta años de edad, en 1941, Pauling descubrió que estaba afectado por una forma grave de la enfermedad de Bright, una enfermedad renal potencialmente mortal, la cual era considerada incurable por los médicos de la época. Con la ayuda del doctor Thomas Addis, de Stanford, Pauling consiguió controlar la enfermedad siguiendo una dieta pobre en aminoácidos y sin sal, algo fuera de lo común para la época.
Como curiosidad comentar que Pauling es, hasta ahora, una de las pocas personas que han recibido el Premio Nobel en más de una ocasión, y las dos veces de manera individual, ya que también recibió el Premio Nobel de la Paz en 1962, por su campaña contra las pruebas nucleares terrestres.