В 1980 році запропонував метеоритну гіпотезу вимирання динозаврів на основі відкриття іридієвої аномалії у відкладеннях земної кори на кордоні відкладень крейдово-палеогенової межі[en] (K — Pg межа), яка потім названо гіпотезою Альвареса. Пізніше його теорію доведено знахідкою воронки від метеорита. Група науковців, очолювана Альваресом, приблизно обчислила масу метеорита та оцінила його діаметр у 10 км. Пізніше теорія знайшла визнання як одна з основних, була суттєво доповнена та розвинена вже після смерті Альвареса, так, в 2013 році було скориговано вік не в 65,5 а 66 млн, більш досконало вивчено відкладення в іридію, кварцу в крейдово-палеогеновій межі тощо.