Redan 1937 påbörjade Perutz undersökningar av strukturen hos hemoglobin, och under ledning av Lawrence Bragg fortgick arbetet med avbrott för krigsåren tills strukturen 1959 i sina huvuddrag var kartlagd. Från 1947 arbetade Perutz med John Kendrew, och 1960 publicerades strukturerna av såväl hemoglobin som myoglobin. De båda forskarna delade 1962