Megfogalmazta az atomhéjak felépülését szabályozó kizárási elvet: az atomban nem találhatók azonos kvantumállapotú elektronok. 1925-ben S. A. Goudsmith és G. E. Uhlenbeck felismerte a kétértékű kvantumszámmal jellemezhető elektronspin létét. A spinkvantumszám volt a Pauli-elv megalkotásakor feltételezett negyedik kvantumszám.
1930-ban a neutron béta-bomlásakor talált energiahiány magyarázatára Pauli feltételezte, hogy a bomlási folyamatban egy könnyű, semleges és mind azideig észlelhetetlen részecske keletkezik. 1940-ben Pauli igen általános feltételek között kimutatta: a feles spinnel rendelkező részecskék mindig eleget tesznek a kizárási elvnek.
Elismerései