Początkiem wielu odkryć prof. Szybalskiego było wprowadzanie przez niego szeregu oryginalnych technik badawczych. Miał udział w opracowaniu metod wirowania i rozdzielania kwasów nukleinowych w chlorku i siarczanie cezu, elektronowo-mikroskopowym badaniu tzw. heterodupleksów w mapowaniu DNA oraz opracowaniu zasad wykrywania mutagenności związków chemicznych na bakteriach.
Wiele lat pracował nad mechanizmami chemicznej mutagenezy i jako pierwszy dostarczył bezpośrednich dowodów na przyczynowy związek między mutagenezą a karcenogenezą. Również jego laboratorium stworzyło podstawy mapowania transkrypcji w bakteriofagu lambda. Ostatnie lata pracy profesora to poszukiwanie metod do fizycznego mapowania genomu, modyfikacji enzymów restrykcyjnych, a szczególnie sekwencjonowania dużych genomów.
Aktywnie uczestniczył w realizacji światowego projektu poznania ludzkiego genomu. Dorobek naukowy obejmuje ponad 360 publikacji z zakresu mikrobiologii, genetyki ogólnej, mutagenezy oraz biologii molekularnej.
Założył i był wieloletnim naczelnym redaktorem międzynarodowego czasopisma GENE (Elsevier Publ., Amsterdam) oraz był członkiem redakcji licznych czasopism naukowych.