Redan under sin studietid vid Lunds universitet ägnade sig Hulthén åt molekylers spektra och struktur. I sin doktorsavhandling (1923) påvisade han att Rydberg–Ritz kombinationsprincip kan utsträckas till molekylspektra. I Stockholm byggde han upp en mycket framgångsrik verksamhet inom experimentell molekylfysik.