בשנתיים האחרונות בבית הספר התוודע פאולינג לעבודתם של גילברט ניוטון לואיס ואירווינג לאנגמיור על המבנה האלקטרוני של האטומים ועל שיתוף אלקטרונים היוצר מהם מולקולות. הוא החליט למקד את המחקר שלו בקשרים שבין תכונותיו הפיזיקליות והכימיות של החומר לבין מבנה האטומים שמהם הוא מורכב, והיה לאחד מחלוצי תחום המחקר החדש - הכימיה הקוונטית. פאולינג החל להזניח את לימודי מדעי הרוח ומדעי החברה. הוא גם מיצה את כל הקורסים שניתנו במחלקות לפיזיקה ולמתמטיקה. פרופ' סמואל גרף בחר בפאולינג להיות עוזר ההוראה שלו באחד מהקורסים המתקדמים במתמטיקה. בחורף של שנת הלימודים האחרונה התבקש פאולינג ללמד קורס כימיה לתלמידות כלכלת בית. באחד השיעורים האלה פגש פאולינג את אשתו לעתיד, אווה הלן מילר.
בשנת 1922 קיבל פאולינג תואר ראשון בהנדסה כימית מהקולג' החקלאי של אורגון, והמשיך ללימודי מוסמכים במכון הטכנולוגי של קליפורניה (הידוע גם בכינוי קלטק) בפסדינה. במחקר שלו לתואר הוא נעזר בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן כדי לגלות את מבנה הגבישים. בזמן שהיה בקלטק הוא פרסם שבעה מאמרים על המבנה הגבישי של מינרלים. בשנת 1925 הוענק לו דוקטורט בהצטיינות יתרה בכימיה פיזיקלית ובפיזיקה מתמטית.
חייו הפרטיים.
כשפאולינג לימד בקולג' את הקורס "כימיה לתלמידות כלכלת בית"
הוא פגש את אשתו לעתיד, אווה הלן מילר. הם נישאו ב-17 ביוני 1923 ונשארו נשואים עד מותה של אווה ב-1981. נולדו להם שלושה בנים – ליינוס ג'וניור, פיטר ואדוארד קרלין, ובת אחת – לינדה.
בניו של פאולינג גדלו להיות מדענים וחוקרים: ליינוס היה פסיכיאטר, פטר – קריסטלוגרף, ואדוארד קרלין – ביולוג. לינדה נישאה לגאולוג.
בנעוריו היה פאולינג חבר בכנסייה הלותרנית, אך מאוחר יותר הצטרף לכנסייה האוניטרית האוניברסלית. כשנתיים לפני מותו הצהיר שהוא אתאיסט, והוסיף: "אני איני לוחמני באתאיזם שלי. הפיזיקאי התאורטי הדגול פול דיראק הוא אתאיסט לוחמני. כנראה חשוב לו לדון בקיומו של אלוהים. לי לא. פעם מישהו אמר בצחוק שאין אלוהים ודיראק הוא נביאו".
קריירה.
פאולינג פגש לראשונה במושגי מכניקת הקוונטים, כשלמד באוניברסיטת המדינה של אורגון. אחר כך הוא נסע לאירופה על מלגת גוגנהיים כדי ללמוד אצל הפיזיקאי הגרמני ארנולד זומרפלד במינכן, אצל הפיזיקאי הדני נילס בוהר בקופנהגן ואצל הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר בציריך. כל השלושה היו מומחים בתחום החדש של מכניקת הקוונטים ובענפים נוספים של הפיזיקה. פאולינג ביקש לבדוק אם ניתן ליישם את מכניקת הקוונטים בתחום העניין שלו – המבנה האלקטרוני של האטומים והמולקולות. בציריך הכיר פאולינג גם את אחד הניתוחים הראשונים של הקשרים במולקולת המימן על פי מכניקת הקוונטים, שעשו ולטר הייטלר ופריץ לונדון. פאולינג הקדיש את שתי שנות שהותו באירופה למחקר זה, והחליט להתמקד בו גם בהמשך. הוא היה לאחד המדענים הראשונים בתחום הכימיה הקוונטית ולחלוץ בהחלת חוקי מכניקת הקוונטים על מבנה המולקולות.
בשנת 1927 קיבל פאולינג על עצמו תפקיד חדש כמרצה זוטר לכימיה תאורטית במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech). חמש השנים הראשונות של הקריירה האקדמית שלו היו פוריות מאוד, והוא המשיך לעסוק במחקריו על גבישים באמצעות קרני רנטגן וגם בחישובים על אטומים ומולקולות על פי מכניקת הקוונטים. הוא פרסם כחמישים מאמרים בחמש שנים אלו, וניסח חמישה כללים הידועים היום בשם חוקי פאולינג. ב-1929 כבר קודם למעמד פרופסור חבר, וב-1930 – לפרופסור מן המניין. בשנת 1931 העניקה האגודה האמריקנית לכימיה לפאולינג את פרס אירווינג לאנגמיור למחקר המשמעותי ביותר במדע טהור על ידי אדם בן 30 או פחות.
ב-1932 פרסם פאולינג את המאמר שנחשב בעיניו המאמר החשוב ביותר שלו, ובו ניסח לראשונה את רעיון הכלאת האורביטלים האטומיים וניתח את הערכיות המרובעת של אטום הפחמן.
בקלטק התיידד פאולינג עם הפיזיקאי התאורטי רוברט אופנהיימר מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שמדי שנה נהג לחקור וללמד גם בקלטק. השניים תכננו לחקור יחד את נושא טבעו של הקשר הכימי: אופנהיימר היה אמור לספק, ככל הנראה, את המתמטיקה, ופאולינג היה אמור לפרש את התוצאות. היחסים ביניהם השתבשו כשפאולינג התחיל לחשוד שאופנהיימר מתקרב מדי לאשתו, אווה הלן. פעם, כאשר פאולינג היה בעבודה, בא אופנהיימר לביתם והפתיע את אווה הלן בהזמנה לנסיעה רומנטית למקסיקו.
בקיץ 1930 נסע פאולינג שוב לאירופה ושם שמע על שימוש באלקטרונים במחקרי עקיפה הדומים למחקרים שהוא עצמו ערך בעזרת קרני רנטגן. כשחזר, הוא בנה בקלטק, ביחד עם סטודנט שלו, ל' א' ברוקוויי, מכשיר עקיפה באמצעות אלקטרונים, והשתמש בו כדי לחקור את המבנה המולקולרי של חומרים כימיים רבים.
פאולינג הציג את המושג אלקטרושליליות בשנת 1932. הוא הגדיר את סולם האלקטרושליליות הקרוי על שמו על סמך המאפיינים השונים של המולקולות, כגון האנרגיה הנדרשת לניתוק קשרים בין האטומים שבהן או מומנטי הדיפול שלהן, וקבע לרוב היסודות ערך מספרי העוזר לנבא את טבעם של הקשרים בין האטומים שבמולקולות.
אקטיביזם.
פאולינג היה א-פוליטי עד מלחמת העולם השנייה, אך בעקבות המלחמה ובעקבות הפציפיזם של אשתו השתנו חייו מן הקצה אל הקצה, והוא נעשה פעיל שלום. בתחילת פרויקט מנהטן, הזמין אותו רוברט אופנהיימר להיות אחראי על חטיבת הכימיה של הפרויקט, אך הוא סירב משום שלא רצה לעקור את משפחתו. הוא עבד על פרויקטים אחרים שהיו להם יישומים צבאיים, כגון חומרי נפץ, הנעת טילים, מד חמצן עבור צוללות ופטנט הפגז חודר השריון, וזכה במדליית הצטיינות נשיאותית.
ב-1946 הצטרף לוועדת החירום של מדעני האטום בראשות אלברט איינשטיין.
משימתה הייתה להזהיר את הציבור מפני הסכנות הכרוכות בפיתוח נשק גרעיני. בגלל האקטיביזם הפוליטי שלו סירבה מחלקת המדינה של ארצות הברית לתת לו דרכון בשנת 1952, כאשר הוזמן להרצות בכנס מדעי בלונדון.
דרכונו הוחזר לו ב-1954, זמן קצר לפני הטקס בסטוקהולם שבו קיבל את פרס נובל הראשון שלו. ב-1955 הוא הצטרף לאיינשטיין, לברטרנד ראסל ולעוד שמונה מדענים ואנשי רוח מובילים אחרים, וחתם על מניפסט ראסל-איינשטיין.
בשנת 1958 התגייס פאולינג לקידום עצומה בשיתוף עם מייסדי הוועדה האזרחית של סנט לואיס למען מידע גרעיני (CNI). קבוצה זו, בראשות פרופסורים מאוניברסיטת וושינגטון, ארגנה מחקר על הסטרונציום-90 הרדיואקטיבי בשיני חלב של ילדים ברחבי צפון אמריקה. "סקר שיני החלב", בראשות ד"ר לואיז רייס, הוכיח סופית בשנת 1961 כי ניסויים גרעיניים על-קרקעיים מעמידים את בריאות הציבור בסיכון משמעותי בגלל נשורת גרעינית המתפשטת בעיקר דרך חלב של פרות שאכלו עשב מזוהם.
פאולינג השתתף גם בעימות עם פיזיקאי האטום אדוארד טלר על הסיכוי שנשורת גרעינית תגרום למוטציות.
ב-1958, הגישו פאולינג ואשתו עצומה לאו"ם, בחתימתם של יותר מ 11,000 מדענים, שקראה לשים קץ לניסויים בנשק גרעיני. הלחץ הציבורי ותוצאותיו המפחידות של המחקר של CNI הובילו להשעייתם של ניסויים בנשק גרעיני מעל פני הקרקע, ולאחר מכן לאמנה החלקית למניעת ניסויים שנחתמה ב-1963 בידי קנדי וחרושצ'וב. ביום שבו נכנסה האמנה לתוקף, הכריזה ועדת פרס נובל על הענקת פרס נובל לשלום לפאולינג במילים אלה: "ליינוס קארל פאולינג, אשר מאז 1946 פעל ללא הרף לא רק נגד ניסויים בנשק גרעיני, לא רק נגד התפשטות כלי הנשק הללו, לא רק נגד עצם השימוש בהם, אלא נגד כל מלחמה כאמצעי לפתרון סכסוכים בינלאומיים, ...".
תרומתו החשובה של ה-CNI להשעיית הניסויים לא זכתה לכל הכרה שהיא, וגם לא המחקר פורץ הדרך של ד"ר רייס וסקר שיני החלב. המחלקה לכימיה בקלטק הייתה חשדנית כלפי דעותיו הפוליטיות של פאולינג, ואפילו לא בירכה אותו באופן רשמי. הם כן ערכו מסיבה קטנה לכבודו, והפגינו הערכה ואהדה בעיקר כלפי עבודתו על קרינה ומוטציות.
פאולינג המשיך בפעילותו למען השלום גם בשנים הבאות, וב-1974 היה שותף לייסודה של הליגה ההומניסטית הבינלאומית. הוא היה נשיא הוועדה המדעית המייעצת של האיגוד העולמי להגנת החיים וגם אחד החותמים על הצהרת דוברובניק-פילדלפיה.
רבים ממבקריו של פאולינג, וביניהם גם מדענים שהעריכו את תרומתו לכימיה, חלקו על עמדותיו הפוליטיות וראו בו דובר נאיבי של הקומוניזם הסובייטי. הוא נצטווה להופיע בפני ועדת המשנה של הסנאט האמריקאי לביטחון פנים אשר כינתה אותו "השם המדעי מספר אחת המופיע בכל פעילות חשובה של מתקפת השלום הקומוניסטית על הארץ הזאת." כותרת במגזין לייף מתארת את פרס נובל בשנת 1962 כ"עלבון מוזר מנורווגיה". בשנת 1970 זכה פאולינג בפרס לנין לשלום של ברית המועצות.
מולקולות ביולוגיות.
באמצע שנות ה-30 של המאה נטתה מדיניות המימון של קרן רוקפלר לטובת המחקר הביולוגי, ופאולינג, שהושפע מכך במידה רבה, החליט לנסות תחומי מחקר חדשים. אמנם, בהתחלה הוא התמקד כמעט אך ורק במבנים מולקולריים לא אורגניים, אבל גם חשב מדי פעם על מולקולות שיש להן חשיבות ביולוגית, בין השאר משום שקלטק הלכה והתחזקה בתחום הביולוגיה.
מחקריו הראשונים בתחום עסקו במבנה ההמוגלובין. הוא הוכיח כי מבנה מולקולת ההמוגלובין משתנה כאשר היא מקבלת או מאבדת אטום של חמצן. בעקבות תצפית זו הוא החליט להוסיף ולחקור את מבנה החלבון בכלל. הוא חזר לערוך ניתוחים באמצעות קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, אבל המבנים החלבוניים לא התמסרו לטכניקה הזו באותה קלות כמו גבישי המינרלים במחקריו הקודמים. צילומי הרנטגן הטובים ביותר של חלבונים בשנות ה-30 נעשו על ידי הקריסטלוגרף הבריטי ויליאם אסטבורי, אך כאשר פאולינג ניסה בשנת 1937 להסביר את תצפיותיו של אסטבורי באמצעות מכניקת הקוונטים, הוא נכשל.