Pauling 1930'ların ortalarında proteinlerin yapısını incelemeye girişti; yalnız bu arada II. Dünya Savaşı sırasında (1939-45) patlayıcılar üzerinde çalıştı. 1949'da, orak hücreli kansızlık hastalığı çeken hastalardan alınan kırmızı kan hücrelerinde, yani alyuvarlarda, kan taşıyan proteinin ya da hemoglobinin biçim bozulmasına uğramış olduğunu gösterdi. 1950'lerin başlarında da, proteinlerin ikincil yapılarına ilişkin olarak, yani proteinleri oluşturan aminoasitlerin arasındaki etkileşimleri açıklamak amacıyla, sarmal (spiral) biçimli zincir modelini geliştirdi. Pauling bu çalışmalarıyla 1954 Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.
