Prowadził prace nad rozwinięciem technik mikroskopii elektronowej do poziomu pozwalającego na badania struktury białek. W 1975 roku wraz ze współpracownikiem z MRC Nigelem Unwinem, Henderson opisał metodę przygotowania próbek do badania mikroskopowego. Polegała ona na użyciu roztworu glukozy do przygotowania próbek w środowisku próżniowym, co umożliwiło rozprowadzenie cienkich warstw błony komórkowej zawierającej tysiące białek na siatce mikroskopu. Ponadto, przechylając próbkę w różnych kierunkach, a następnie obliczając transformatę Fouriera, można określić trójwymiarową strukturę białka w próbce. W ten sposób Henderson i Unwin wygenerowali trójwymiarowy obraz białka bakteryjnego bakteriorodopsyny.
Henderson kontynuował badania nad rozwiązaniem problemów technicznych, uniemożliwiających generowanie obrazów biomolekuł w wysokiej rozdzielczości za pomocą mikroskopii elektronowej. W 1990 zastosował w tym celu kriomikroskopię elektronową.
W 2016 roku został laureatem Medalu Copleya.