In 1962 begin hy werk by die pasopgerigte MRC-laboratorium vir Molekulêre Biologie in Cambridge. In die daaropvolgende jare gebruik Klug metodes van X-straaldiffraksie, mikroskopie en strukturele modellering vir die ontwikkeling van kristallografiese elektronmikroskopie. Met behulp van 'n elektronmikroskoop en 'n rekenaar het hy daarin geslaag om drie-dimensionele beelde van makromolekulêre komplekse te bou. Hiermee word 'n reeks twee-dimensionele beelde van kristalle vanuit verskillende hoeke geneem en tot 'n drie-dimensionele beeld gekombineer. Sy tegniek vorm die basis van rekenaartomografie, met die CT-skandeerder as praktiese toepassing daarvan.
Met sy metode kon hy die struktuur van chromatien, DNS en proteïene soos wat in die chromosoom voorkom, sien. Hy het ook tRNS (Transfer RNA) en verskeie virusse vergroot.