Travaillant avec Rosalind Franklin chez le professeur John Desmond Bernal à Londres, il montre un grand intérêt pour l'étude des virus, et fait des découvertes sur les structures de certains d'entre eux. Pendant les années 1970, Klug utilise les méthodes de diffraction de rayons X, de microscopie et de modélisation structurale pour développer la microscopie électronique cristallographique avec une séquence d'images en deux dimensions de cristaux prises sous différents angles et combinées pour produire des images tridimensionnelles. Ces travaux lui valent la médaille Copley en 1985.
En 1982, il est lauréat du prix Nobel de chimie« pour son développement de la microscopie électronique cristallographique et ses découvertes sur la structure des complexes protéines-acides nucléiques biologiquement importants[2] ».
↑ a et b(en) « for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes »in Personnel de rédaction, « The Nobel Prize in Chemistry 1982 », Fondation Nobel, 2010. Consulté le 25 août 2010
(en) Autobiographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)