1955 wurde er Forschungsassistent an der Indiana University und 1957 Angestellter des Mount-Palomar-Observatoriums, wo er 29 Jahre lang tätig war.
Arp wurde bekannt für die umstrittene Theorie, nach der die Rotverschiebung speziell von Quasaren eine bisher unbekannte nicht-kosmologische Ursache hat und daher zur Bestimmung der Entfernung nicht geeignet ist. Damit stellte er eine der Grundlagen der Urknalltheorie in Frage. Ebenso vertrat er eine alternative Gravitationstheorie im Sinne der Le-Sage-Gravitation.
„Wir brauchen Leute wie ihn, sonst besteht die Gefahr, dass sich in der Wissenschaft Cliquen bilden, die keine Kritik von außen zulassen.“
Als Halton Arp am Palomar-Observatorium in Ungnade fiel, holte ihn Kippenhahn, der in den 1980er Jahren das Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching bei München leitete, mit einem Stipendium nach München. Ab 1983 wurde Halton Arp als unbezahlter Gastwissenschaftler am MPA geführt.[2] Seit 1996 war er auswärtiges Mitglied der Academia Europaea.[3]