Nel 1912, due anni dopo aver terminato gli studi, contrubuì alla definizione del concetto di massa relativistica: “l'espressione m0(1 − v2/c2)−1/2 è la più adatta per la massa di un corpo in movimento”.[1]
Come esperto di meccanica statistica, Tolman scrisse un libro nel 1927 basato sulla teoria dei quanti. A questo seguì, nel 1938, un'opera completamente nuova, la quale includeva i dettagli dell'applicazione della meccanica statistica sia ai sistemi classici, sia ai sistemi quantistici. Quest'opera divenne la più diffusa per lo studio della meccanica statistica per diversi anni, ed è ancora oggi oggetto
d'interesse. Tolman inoltre fu molto interessato alle applicazioni della termodinamica ai sistemi relativistici e alla cosmologia. I suoi studi in questo campo inclusero indagini sull'ipotesi dell'universo oscillante; inoltre nel 1934 dimostrò che le radiazioni di un corpo nero in un universo in espansione si raffreddano ma rimangono termiche - un risultato fondamentale per le proprietà della radiazione cosmica di fondo.
Ogni anno la Tolman Medal, chiamata così in onore di Richard Tolman, è consegnata dalla sezione della California della American Chemical Society «in riconoscimento di eccezionali contributi alla chimica».
