I 1972 mottok han sammen med Leon N. Cooper og John R. Schrieffer nok en gang nobelprisen i fysikk. De hadde kommet med en teori som forklarte superlederegenskapen, den såkalte BCS-teorien, oppkalt etter oppdagernes initialer. Allerede i 1930-årene hadde Bardeen forsket på fenomenet og han kom i 1950-årene fram til en teoretisk forklaring. I og med sin andre nobelpris ble han den første vitenskapsmann som fikk nobelprisen to ganger i samme kategori, og han er fremdeles den eneste som har fått prisen to ganger i fysikk.