Som fysikar ved Bell telefonlaboratorium i Murray Hill i New Jersey frå 1945 til 1951 høyrte han til den arbeidsgruppa som 1947 oppdaga transistoreffekten. 1948 offentleggjorde dei den første transistoren, noko som utløyste ein elektronisk revolusjon. For dette arbeidet vart han tildelt nobelprisen i fysikk i 1956 saman med to av kollegaene sine, William B. Shockley og Walter Brattain.
1972 mottok han saman med Leon N. Cooper og John R. Schrieffer nok ein gong nobelprisen i fysikk. Dei hadde kome med ein teori som forklarte superleiareigenskapen, den såkalla BCS-teorien, kalla opp etter initialane til oppdagane. Alt i 1930-åra hadde Bardeen forska på fenomenet og han kom i 1950-åra fram til ei teoretisk forklaring. I og med sin andre nobelpris vart han den første vitskapsmannen som fekk nobelprisen to gonger i same kategori, og han er framleis den einaste som har fått prisen to gonger i fysikk.
