Selama studi sarjananya Wüthrich mulai berkarya di bidang spektroskopi resonansi paramagnetik elektron dan masalah tesis Ph.D-nya ialah "aktivitas katalisis senyawa tembaga dalam reaksi autoksidasi". Selama masa pascadoktoralnya di Berkeley ia mulai bekerja dengan teknik terkait spektroskopi resonansi magnetik nuklir yang baru berkembang untuk mempelajari hidrasi kompleks logam. Saat bergabung dengan Bell Labs, Wüthrich merintis salah satu spektrometer RMN superkonduksi pertama, dan mulai belajar struktur dan dinamika protein. Sejak itu ia melanjutkan penelitian di bidang ini.
Setelah kembali ke Swiss, Wüthrich berkolaborasi dengan penerima Nobel lainnya Richard R. Ernst pada pengembangan eksperimen RMN 2 dimensi yang pertama, dan menentukan efek Overhauser nuklir sebagai cara umum untuk mengukur jarak dalam protein. Penelitian ini kemudian menyebabkan pelengkapan dan resonansi untuk di antara inhibitor tripsin pankreas sapi dan glukagon lainnya.