Jest odkrywcą wielu stanów rezonansowych (cząstek rezonansowych), dzięki opracowanej przez siebie nowej metodzie użycia komory pęcherzykowej. W 1968 r. otrzymał Nagrodę Nobla za prace poświęcone cząstkom elementarnym, a w szczególności za uruchomienie dużej wodorowej komory pęcherzykowej (bazującej na ciekłym wodorze). Alvarez posiadał łącznie 40 patentów na różnorodne wynalazki z zakresu: radaru, optyki i elektroniki.
Alvarez jest współautorem hipotezy, według której zagładę dinozaurów spowodował upadek na Ziemię dużego ciała kosmicznego. Utworzony przez niego zespół odkrył wysoką zawartość irydu w warstwie rozdzielającej sedymenty wapienia u schyłku okresu kredowego, co w 1980 r. skłoniło uczonego do wysunięcia przypuszczenia, że ok. 65 mln lat temu w Ziemię uderzyła planetoida o średnicy około 10 km (lub nieco mniejsze jądro komety), która spowodowała trzęsienie ziemi, falę uderzeniową, tsunami, orkan ognia i powstanie gigantycznej ilości popiołów, sadzy i gazów cieplarnianych, a później wielodniowych ciemności i „zimy”, czego następstwem były globalne zmiany klimatyczne i ostatecznie masowe wymieranie wielu gatunków roślin i zwierząt, zarówno morskich, jak i lądowych.