Mens han arbeidet ved Brown, utviklet han det som senere ble kjent som Onsagers resiprositetsrelasjoner i irreversibel termodynamikk. Dette er også kalt Onsagerrelasjonene, og er, kort beskrevet, en statistisk analyse av diffusjon. Den første versjonen kom i 1929, mens det utvidede ligningssettet ble publisert i 1931. Relasjonene er knyttet til transportkoeffisienter som sier hvilke strømmer som oppstår som følge av krefter av forskjellig slag. Et velkjent eksempel på lineær transport er Ohms lov, I=U/R, der I er den elektriske strømmen, U er spenningen som driver strømmen, og 1/R transportkoeffisienten, der R er den elektriske motstand. Onsager-relasjonene dreier seg om koeffisientene som bestemmer mellom forskjellige krefter og strømmer, for eksempel varmestrøm forårsaket av elektrisk spenning – og elektrisk strøm forårsaket av en temperaturdifferens. Når de lineære transportligningene skrives på en bestemt måte, vil koeffisientene utvise symmetrien L=L. Denne typen symmetri var kjent for en rekke kryss-koeffisienter, men den var ikke forstått. Det Onsager viste, var at symmetrien på makronivå er et direkte resultat av en symmetri på mikronivå. Dersom man studerer den mekaniske bevegelsen til et system av mange atomer eller molekyler vil, under de fleste forhold, de mekaniske ligningene ha samme form for beskrivelse av utviklingen bakover i tid som fremover. Det er denne symmetrien på molekylnivå mellom fortid og fremtid som Onsager viste fører direkte til symmetrien på makronivå til krysskoeffisientene i transport.