1951年他首次用X射线衍射法证实了L.C.波林等人提出的蛋白质的a-螺旋结构模型。1953年创立了用于测定晶态生物大分子结构的同晶置换法的原则。肯德鲁和同事于1957年解出了第一个蛋白质——肌红蛋白的低分辨率空间结构。两年后佩鲁茨和同事得到了血红蛋白的三维图像。1962年他与别人合作证明，当血红蛋白同氧反应时，四个亚基间的相互位置发生变化。1970年他与同事揭示出血红蛋白传送氧的分子机理。他为了解蛋白质的结构及其与功能关系作出了重要贡献。他发表了许多关于蛋白质结构和功能的论文，并著有《蛋白质和核酸：结构与功能》、《血红蛋白和肌红蛋白，生物结构图册》（与G.佛米合著）等书。

由于在蛋白质晶体学方面的开创性成就，他和肯德鲁同获1962年诺贝尔化学奖。他是英国皇家学会会员 ，1963年被选为奥地利科学院的通讯院士，并先后当选为美国哲学学会会员，荷兰、法国等国科学院的外籍院士。他两次荣获英国皇家学会的奖章。