Er befasste sich besonders mit den Atmosphären von Mars und Venus, wobei er bei Mars die Daten der Mariner 9 und Viking Sonden auswertete und danach Computersimulationen über das Wetter auf dem Mars entwickelte (mit Robert Haberle). Mit James F. Kasting entwickelte er Modelle für die Geschichte des Klimas in Wechselwirkung mit der Krustenentwicklung auf Mars und Venus. 1996 entwickelte er mit Kollegen ein Modell der Entstehung der großen Gasplaneten. Mit Carl Sagan arbeitete er an Themen wie Nuklearer Winter, was aus seinen Untersuchungen der atmosphärischen Auswirkungen des Asteroiden-Einschlags an der Kreide-Tertiär Grenze entstand (mit Chris McKay, Brian Toon und anderen). Er untersuchte auch die Möglichkeiten von Terraforming beim Mars. Später befasste er sich mit Supercomputer-Simulationen der Entstehung von Planetensystemen (mit Pat Cassen, Robert Cabot u. a.). Von ihm stammen auch frühe Untersuchungen des Einflusses von Vulkanen auf das Klima, so 1981 anlässlich des Mount St. Helen Ausbruchs.