Wilkinson gjorde flera viktiga upptäckter inom den oorganiska och metallorganiska kemin. Wilkinson och E.O. Fischer beskrev 1952, oberoende av varandra, strukturen och den kemiska bindningen i ferrocen och öppnade därmed ett nytt stort område för den metallorganiska kemin. För dessa arbeten om s.k. sandwichföreningar fick Wilkinson och Fischer 1973 års