Als Mitglied der Fakultät für Biochemie hat Doolittle große Fortschritte bei der Erforschung der Cyanobakterien erzielt, Nachweise der Endosymbiontentheorie erbracht, eine Theorie zur Evolution der Eukaryoten entwickelt und ist zudem auf dem Gebiet des horizontalen Gentransfers tätig.
Phage-host relationships in certain strains of Corynebacterium diphtheriae. In: Virology. Vol. 29, S. 410.
The origin and early evolution of life. In: J. Cracraft, R.W. Bybee (Hrsg.): Evolutionary Science and Society: Educating a New Generation. BSCS, Colorado Springs 2005, S. 35.
The root of the tree: lateral gene transfer and the nature of the domains. In: R.A. Garrett, H.-P. Klenk (Hrsg.): Archaea: Evolution, Physiology and Molecular Biology. Blackwell Publishing Ltd., Malden 2007, ISBN 978-1-4051-4404-9, S. 29.
Lateral gene transfer. In: M. Pagel, A. Pomiankowski (Hrsg.): Evolutionary Genomics and Proteomics. Sinauer 2007, ISBN 978-0-87893-654-0, S. 45.