Davis jr. ble tildelt nobelprisen i fysikk i 2002 «for banebrytende innsats innen astrofysikken, spesielt for deteksjon av kosmiske nøytrinoer». Han delte halvparten av prispengene med japaneren Masatoshi Koshiba, mens den andre halvparten ble tildelt amerikaneren Riccardo Giacconi.