Fukui vinse il premio Nobel per la chimica nel 1981 insieme con Roald Hoffmann, per i loro studi indipendenti sul meccanismo delle reazioni chimiche. In particolare il suo lavoro si focalizzò sul ruolo delle interazioni fra gli orbitali di frontiera nelle reazioni chimiche: specificamente le molecole tendono a condividere gli elettroni presenti negli orbitali di frontiera, più distanti dai nuclei e quindi più debolmente legati, con l'orbitale HOMO (orbitale molecolare a più alta energia occupato) che tende a interagire con il LUMO (orbitale molecolare a più bassa energia non occupato) generando una nuova configurazione stabilizzata.