Nordling samarbetade under 1950- och 60-talen med Kai Siegbahn i utvecklingen av elektronspektroskopin för atomer, molekyler och fasta material (ESCA) och utförde laser- och röntgenspektroskopiska studier av atomära och molekylära system. Han var ledamot av Nobelkommittén för fysik 1985–96 och dess ordförande 1992–96 samt Naturvetenskapliga forskningsrådets huvudsekreterare 1987–93.