Lucrarile de baza ale lui Moore, efectuate in colaborare cu Stein W.H., sunt dedicate cercetarii structurii proteinelor. Ei au elaborat metode analitice exacte pentru determinarea compozitiei aminoacide a proteinelor. in 1951 au dezvoltat metoda cromatografica cu schimbatori de ioni folosind-o la extragerea si purificarea ribonucleazei. Datorita combinarii metodei cromatografice de analiza, elaborata de Stein si Moore, cu metoda fotometric-ninhidrica propusa de ei si colectorul de fractii tot al lor, au modelat metodica ce permite analiza hidrolizatului proteic pe parcursul a doua saptamani.
In activitatea de cercetare pe care o efectueaza de-a lungul carierei sale face o serie de descoperiri printre care amintim:
- in anul 1950 – folosirea rasinelor sintetice schimbatoare de ioni (sulfocationiti) le-a permis sa scurteze acest timp pana la o saptamana;
- in anul1958 – automatizeaza procesul si timpul de analiza e micsorat pana la cateva ore.
- in anul 1960 – stabileste structura primara a ribonucleazei ce contine 1876 atomi de C, H, N, O si S; a descoperit, de asemenea, un principiu important, conform caruia grupele functionale ale aminoacizilor, ce formeaza centrul activ al fermentului, poseda o capacitate de reactie anormal de inalta.
in anul1966 devine presedintele Societatii Biochimice din America, membru al unui sir de Academii de Stiinte.
in anul 1972, impreuna cu Stein si C.B.Afinsen, castiga premiul Nobel.