1916年、化学結合についての古典的論文 "The Atom and the Molecule"[10]を発表し、その中で後に共有結合と呼ばれることになる電子の対を原子間で共有する化学結合の考え方を定式化している。また、不対電子を持つラジカルを "odd molecule" と定義した。この論文には電子式の記法や立方体原子模型も含まれていた。これらの化学結合についての考え方をアーヴィング・ラングミュアがさらに発展させ、ライナス・ポーリングの化学結合の研究に着想を与えることになった。
1946年、ルイスがバークレーの研究室で死んでいるのを大学院生が発見した。液体シアン化水素を使った実験をしていて、極めて毒性の強い気体が室内に漏れ出していた。検死官は死因を冠状動脈の異常としたが、自殺だと信じる者もいた。バークレーの名誉教授 William Jolly は1987年にバークレーの化学部門の歴史を描いた From Retorts to Lasers を出版したが、その中で学部の上層部がルイスの死を自殺だと思っていたと記している。
ルイスが亡くなった日、アーヴィング・ラングミュアとルイスが昼食を共にしていたことを Michael Kasha が数年後に思い出した[18]。ルイスとラングミュアは長年のライバル関係にあり、それはラングミュアがルイスの化学結合理論を発展させたころから続いていた。ルイスが何度もノーベル賞候補といわれながら受賞を逃してきたのに対して、ラングミュアは1932年にノーベル化学賞を受賞している。昼食から戻ってきたルイスは暗かったという証言もある。彼が死んでいるのを発見されたのはその数時間後だった。アメリカ議会図書館にあるラングミュアの論文から、その日ラングミュアが名誉学位を受け取るためにバークレー校にいたことが確認されている。
^Edwin B. Wilson & Gilbert N. Lewis (1912) "The Space-time Manifold of Relativity. The Non-Euclidean Geometry of Mechanics and Electromagnetics" Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences 48:387-507
^Synthetic Spacetime, a digest of the axioms used, and theorems proved, by Wilson and Lewis. Archived by WebCite
^(1908) "The osmotic pressure of concentrated solutions, and the laws of the perfect solution," J. Am. Chem. Soc.30: 668-683.
^Lewis, Gilbert N.; Macdonald, Ronald T. (1933). “Concentration of H2 Isotope”. The Journal of Chemical Physics1 (6): 341–344. doi:10.1063/1.1749300. ISSN0021-9606.
^Lewis, Gilbert N. (1933). “THE BIOCHEMISTRY OF WATER CONTAINING HYDROGEN ISOTOPE”. Journal of the American Chemical Society55 (8): 3503–3504. doi:10.1021/ja01335a509. ISSN0002-7863.