רק כעבור אחת עשרה שנים הצליח פאולינג להסביר מה הייתה הבעיה: הניתוח המתמטי שלו היה נכון, אלא שהמולקולות בצילומיו של אסטבורי סטו ממיקומן הצפוי, בגלל האופן שבו הן צולמו. פאולינג גיבש מודל למבנה ההמוגלובין שעל פיו האטומים מסודרים בצורת סליל, והחיל את הרעיון הזה על חלבונים בכלל.
ב-1951 התבססו פאולינג, רוברט קורי והרמן ברנסון על המבנים של חומצות אמינו ופפטידים, ועל המבנה השטוח של הקשר הפפטידי, והראו שסלילי אלפא ומשטחי בטא הם התצורות העיקריות של המבנה השניוני בחלבון.
בעבודה זו באה לידי ביטוי יכולת החשיבה הבלתי שגרתית של פאולינג. בבסיס המבנה הסלילי עמד הרעיון המהפכני שסיבוב אחד של הסליל יכול להכיל מספר לא שלם של חומצת אמינו; במקרה של סליל האלפא, יש 3.7 חומצות אמינו בכל סיבוב.
פאולינג העלה אז את ההשערה כי מבנה ה-DNA הוא סליל משולש,
אך היו במודל שלו מספר טעויות בסיסיות, כמו רעיון קיומן של קבוצות פוספט נייטרליות, העומד בסתירה לחומציותו של ה-DNA. הפיזיקאי ויליאם לורנס בראג ממעבדת קוונדיש היה מאוכזב שהפסיד לפאולינג במירוץ לגילוי מבנה החלבון. צוותו של בראג שגה אז שגיאה יסודית בכך שלא הביא בחשבון את אופיו המישורי של הקשר הפפטידי כשבנה את מודל החלבון שלו. כאשר נודע במעבדת קוונדיש כי פאולינג עובד על מודל למבנה המולקולרי של ה-DNA, הורשו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק לחזור למחקר שנטשו בעבר, ולבנות מודל כזה. בהמשך הם נעזרו בנתונים מהותיים מתוך מחקר שלא פורסם של מוריס וילקינס ורוזלינד פרנקלין מקינגס קולג'. בתחילת 1953 הציגו ווטסון וקריק את מודל הסליל הכפול למבנה ה-DNA. מאוחר יותר מנה פאולינג סיבות שונות לשגיאות שעשה בקשר למבנה ה-DNA, וביניהן נתונים מטעים על צפיפות, והיעדר צילומים באיכות גבוהה של קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן. כשפאולינג עסק במחקרו, יצרה רוזלינד פרנקלין באנגליה את הצילומים הטובים ביותר בעולם. הם היו המפתח להצלחה של ווטסון וקריק. פאולינג לא ראה אותם, אם כי עוזר המחקר שלו רוברט קורי כן ראה לפחות חלק מהם כשמילא את מקומו של פאולינג בכינוס באנגליה בנושא החלבון בקיץ 1952. פאולינג לא יכול היה להשתתף בכינוס כי הדרכון שלו עוכב בידי מחלקת המדינה של ארצות הברית בגלל חשד לנטיות קומוניסטיות (זו הייתה תחילת תקופת המקארתיזם בארצות הברית). כך נולדה האגדה כי פאולינג החמיץ את גילוי ה-DNA בגלל המצב הפוליטי.
אבל הפוליטיקה לא שיחקה תפקיד חשוב עד כדי כך: כאמור, קורי כן ראה את הצילומים, וגם דרכונו של פאולינג עצמו הוחזר לו תוך כמה שבועות, והוא כן ביקר במעבדות באנגליה לפני כתיבת המאמר שלו על ה-DNA. היו לו הרבה הזדמנויות לבקר במעבדה של פרנקלין ולהתרשם מעבודתה, אך הוא בחר שלא לעשות זאת.
פאולינג חקר גם תגובות אנזימטיות והיה בין הראשונים להצביע על כך שאנזימים מזרזים תגובות על ידי ייצוב מצב המעבר של התגובה. הוא גם היה בין המדענים הראשונים שהניחו כי ההיקשרות של נוגדנים לאנטיגנים נובעת מההשלמה ההדדית בין המבנים שלהם. ברוח דומה הוא כתב יחד עם מקס דלבריק, הפיזיקאי שהיה לביולוג, מאמר הטוען ששכפול DNA נובע ממשלימות, או השלמתיות (complementarity), ולא מדמיון (similarity), כפי שהציעו מספר חוקרים. המודל של ווטסון וקריק למבנה ה-DNA מאשר טענה זו.
גנטיקה מולקולרית.
בנובמבר 1949 פרסמו ליינוס פאולינג, הארווי איטנו, ס' ג' זינגר ואיברט וולס את "אנמיה חרמשית, מחלה מולקולרית"
בכתב העת "Science". זו הייתה העדות הראשונה למחלה של בני-אדם הנובעת מאנומליה בחלבון, והאנמיה החרמשית הייתה המחלה הראשונה שהובנה ברמה המולקולרית. באמצעות אלקטרופורזה הם הראו שלחולים באנמיה חרמשית הייתה צורה שונה של המוגלובין בתאי הדם האדומים, וכי לנשאים היו שתי צורות של המוגלובין – אחת רגילה ואחת שונה. זו הייתה גם הדוגמה הראשונה שבה חוקי התורשה של מנדל קבעו את תכונותיהם של החלבונים, ולא רק את נוכחותם או היעדרם, והיא סימנה את הולדתה של הגנטיקה המולקולרית.
רפואה מולקולרית ומחקר רפואי.
בשנת 1941, בגיל 40, אובחנה אצל פאולינג מחלה כלייתית - מחלת ברייט. בעקבות המלצותיו של תומאס אדיס, שהיו יוצאות דופן בזמנו, הצליח פאולינג לשלוט במחלה באמצעות דיאטה דלת חלבון ונטולת מלח, ותוספי ויטמינים.
בשנת 1951 נתן פאולינג הרצאה בשם "רפואה מולקולרית".
לקראת סוף שנות ה-50 חקר פאולינג את חלקם של האנזימים בתפקוד המוח, מתוך הנחה שמחלות נפש עלולות להיגרם בין היתר בגלל תפקוד לקוי של אנזימים. ב-1965 קרא פאולינג את "טיפול פסיכיאטרי בניאצין" מאת הפסיכיאטר הקנדי אברם הופר ופיתח תאוריה שלפיה יש לוויטמינים השפעות ביוכימיות חשובות, שאינן קשורות למחלות החסר שהם מונעים. ב-1968 פרסם פאולינג מאמר קצר בשם "פסיכיאטריה אורתומולקולרית" בכתב העת Science
ובו הגדיר את עקרונות הטיפול המסיבי בוויטמינים, שהיה פופולרי אך גם שנוי במחלוקת בשנות ה-70, ואף נתן לו שם. פאולינג טבע את המונח "אורתומולקולרי" לציון הפרקטיקה של שינוי הריכוז של החומרים הנמצאים בדרך כלל בגוף כדי למנוע מחלות ולטפל בהן. רעיונותיו היו הבסיס לרפואה האורתומולקולרית, שלא אומצה בדרך כלל על ידי הרופאים הקונבנציונליים ונמתחה עליה ביקורת חריפה.
מחקריו של פאולינג על ויטמין C בשנותיו האחרונות עוררו מחלוקת. הראשון שהציג בפניו את הרעיון של נטילת ויטמין C במינון גבוה, היה הביוכימאי ארווין סטון, בשנת 1966. אחרי שהשתכנע בכוחו, התחיל פאולינג ליטול 3 גרם של ויטמין C מדי יום ביומו כדי למנוע הצטננות.
הוא התלהב ממה שנראה בעיניו כהצלחה, ופנה לחקור את הספרות הקלינית, וב-1979 פרסם את הספר "ויטמין C והצטננות". ב-1971 החל בשיתוף פעולה קליני ארוך עם המנתח הבריטי יואן קמרון על שימוש תוך ורידי בוויטמין C ונטילתו דרך הפה כטיפול בסרטן בחולים סופניים.
קמרון ופאולינג כתבו מאמרים טכניים רבים וספר פופולרי אחד, סרטן וויטמין C, שדנו בתצפיות שלהם. בזכות פאולינג נעשה הוויטמין C פופולרי בקרב הציבור, ובהמשך פאולינג אף פרסם שני מחקרים על קבוצה של מאה חולים סופניים לכאורה, שהראו הישרדות טובה פי ארבעה של חולים שטופלו בוויטמין C בהשוואה לחולים שלא טופלו.
תוצאות אלה נבדקו שוב ב-1982, ואז התגלה ששתי קבוצות החולים לא היו בנות-השוואה, שכן קבוצת הוויטמין C הייתה פחות חולה מלכתחילה, והחולים בה הוגדרו "סופניים" בשלב מוקדם יותר מהחולים בקבוצת השנייה.
בניסויים קליניים שנערכו מאוחר יותר על ידי מאיו קליניק גם נמצא שוויטמין C במינון גבוה (10,000 מ"ג) לא הועיל יותר מפלצבו בטיפול בסרטן ושאין כל תועלת במינון גבוה של ויטמין C.
אי-היכולת להוכיח בניסוי קליני תועלת כלשהי הובילה למסקנה שוויטמין C אינו יעיל בטיפול בסרטן; הממסד הרפואי אף התייחס לטענתו של פאולינג כי ויטמין C יכול למנוע הצטננות כאל אחיזת עיניים.
פאולינג ביטל את מסקנותיהם של המחקרים הללו וטען שהם בגדר "סילוף מכוון",
ומתח ביקורת על כך שהשימוש בוויטמין C במחקרים אלה היה דרך הפה ולא דרך הווריד
(כפי שנעשה בעשרת הימים הראשונים של המחקר המקורי של פאולינג). פאולינג גם הצביע על כך שבמחקרים של מאיו קליניק נטלה גם קבוצת הביקורת ויטמין C במהלך הניסוי, ועל כך שמשך הטיפול בוויטמין C היה קצר; פאולינג דגל במינון גבוה של ויטמין C למשך כל חייו של חולה הסרטן, אבל החציון של משך הטיפול בוויטמין C בניסוי השני של מאיו קליניק היה 2.5 חודשים.
פאולינג וקמרון ניהלו ויכוח ציבורי ארוך ומר על התוצאות עם מורטל (המחבר הראשי של מחקרי מאיו קליניק), ובמהלכו האשימו שני הצדדים זה את זה בהתנהגות בלתי הולמת ובאוזלת יד מדעית. בסופו של דבר שמו הממצאים השליליים של מחקרי מאיו קליניק קץ לעניין הציבורי בוויטמין C כשיטת טיפול בסרטן.
למרות זאת המשיך פאולינג להטיף למען טיפול בסרטן ובהצטננות באמצעות וויטמין C, ועבד עם המכונים למיצוי הפוטנציאל האנושי למען שימוש בוויטמין C לטיפול בילדים עם פגיעה מוחית.
מאוחר יותר הוא עבד עם הרופא הקנדי אברם הופר על משטר תזונה הכולל מינון גבוה של ויטמין C כטיפול משלים לסרטן.
בשנת 1973 ייסד פאולינג ביחד עם ארתור ב. רובינסון ועמית נוסף את המכון לרפואה אורתומולקולרית במנלו פארק, קליפורניה. ששמו הוחלף עד מהרה להיות 'מכון ליינוס פאולינג למדע ורפואה'. פאולינג ניהל מחקר על ויטמין C, אבל גם המשיך בעבודתו התאורטית בכימיה ובפיזיקה עד מותו. בשנותיו האחרונות, הוא התחיל להתעניין במיוחד בתפקידו האפשרי של הוויטמין C במניעת טרשת עורקים ופרסם שלושה דוחות מקרה על השימוש בליזין ובוויטמין C להקלה על תעוקת לב. בשנת 1996, עבר מכון ליינוס פאולינג מפאלו אלטו, קליפורניה, לקורווליס, אורגון, וצורף לאוניברסיטת המדינה של אורגון, והוא עדיין ממשיך לעסוק במחקר על מיקרונוטריאנטים, פיטוכימיקלים (כימיקלים מן הצומח) ומרכיבי תזונה נוספים למניעה ולטיפול במחלות. מספר חוקרים שעבדו במכון ליינוס פאולינג בפאלו אלטו, הקימו את המכון למחקר המידע הגנטי.
טבעו של הקשר הכימי.
לקראת סוף שנות ה-20 החל פאולינג לפרסם מאמרים על טבעו של הקשר הכימי, וב-1939 הוציא לאור את ספר הלימוד המפורסם שלו בנושא זה. הוא מבוסס בעיקר על עבודתו שזיכתה אותו בשנת 1954 בפרס נובל לכימיה "על מחקרו בעניין טבעו של הקשר הכימי ועל יישומו להבהרת המבנה של חומרים מורכבים". פאולינג סיכם את מחקרו על הקשר הכימי בספר 'טבעו של הקשר הכימי' – אחד הספרים המשפיעים ביותר בכימיה בכל הזמנים.