主要貢獻是對粒子分類、相互作用研究以及提出夸克理論，獲1969年諾貝爾物理學獎。青年時代就顯露出卓越的才華，18歲時在對宇宙線進行研究中發現了奇異粒子。1953年，和日本物理學家中野董夫、西島各自獨立提出了某些核粒子的“奇異性”概念，用奇異量子數來解釋當時所遇到的某些困難取得成功。後來物理學界把這種解釋稱作蓋耳曼—西島法則。1958年，和費曼合作提出在核理論進展中有重要影響的核β衰變矢量電流守恆理論，這是經過20餘年曲折發展以後達到的關於弱相互作用的正確的唯象理論。
強子分類的“八重態法”-模型圖 蓋耳曼本人還提出了一種試驗此項理論的方法——從氫氣、硼、碳原子核的β衰變能譜中去求證。後來這一驗證方法在吳健雄的指導下取得成功。1961年，與英國物理學家奈曼獨立而幾乎是同時提出了強子分類的“八重態法”，建立強子的周期表，提出強子不是最基本的粒子，並預言Ω-粒子的存在。1964年，Ω-粒子在實驗上被發現，證實了八重態法理論的正確性。同年，還發展了坂田昌—關於強子結構的思想，提出強子是由更基本的成分“夸克”所組成，夸克有三種，各自有其反夸克，夸克帶有分散電荷，
介子，重子-夸克模型圖 
β衰變-內部結構模型圖 