Ensuite il se dirige vers la chimie inorganique, surtout les complexes des métaux de transition avec des ligands tels que le monoxyde de carbone et les alcènes. En 1955, il devient titulaire d'une chaire de chimie inorganique au Imperial College. Ses recherches subséquentes portent presque exclusivement sur les complexes des métaux de transition.
Il partage avec Ernst Otto Fischer le prix Nobel de chimie en 1973 «pour leurs recherches pionnières, effectuées de façon indépendante, sur la chimie des organo-métalliques, les dénommés complexes sandwich». Il est aussi connu pour avoir écrit, avec F. Albert Cotton, un des manuels les plus renommés en chimie inorganique: Advanced Inorganic Chemistry (surnommé «Cotton and Wilkinson»).
12(en) «for their pioneering work, performed independently, on the chemistry of the organometallic, so called sandwich compounds»in Personnel de rédaction, «The Nobel Prize in Chemistry 1973», Fondation Nobel, 2010. Consulté le 23 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)