Przez 22 lata kierował Wydziałem Chemii i Inżynierii Chemicznej. Był też dyrektorem . Jego współpracownikami i uczniami byli m.in. S.H. Bauer, Lawrence O. Brockway, Charles D. Coryell, J.L. Hoard, M.L. Huggins, V. Schomaker, J. Sherman, J.H. Sturdivant, L.E. Sutton, G.W. Wheland, E.B. Wilson, D.M. Yost. Thomas Hunt Morgan (Nobel 1933) i Albert Tyler, zajmujący się chromosomową teorią dziedziczności, zainteresowali Paulinga problemem specyficzności złożonych związków organicznych, biorących udział w procesach metabolicznych, zachodzących w komórkach). thumb|Hierarchiczna struktura białka – pierwszorzędowa, drugorzędowa (helisa alfa), trzeciorzędowa i czwartorzędowa
W zimie 1928–1929 profesorem wizytującym w Caltech był Arnold Sommerfeld, a w maju 1930 roku Pauling ponownie odwiedził laboratorium Sommerfelda. W tymże roku wydał, wspólnie z S. Goudsmitem, pierwszą swoją książkę: , a w latach 1931–1932 m.in.: artykuł na temat hybrydyzacji orbitali (, 1931) – pierwszą z serii prac o doniosłym znaczeniu dla chemii fizycznej (sam autor powiedział o niej: ), ważny, wpływowy artykuł nt. skali elektroujemności (J. Am. Chem. Soc., 1932).
W maju 1933 roku został wybrany na członka (wybór tak młodego kandydata był wydarzeniem bez precedensu).
W latach 1937–1938 wygłosił w Cornell serię wykładów () dotyczących pogranicza między chemią i fizyką, których treść została opublikowana w formie przełomowej książki pt. .