Ta on tuntud eelkõige arhede kui uue domeeni kirjeldajana 1977. aastal. Arhede domeeni eristamisele ajendas teda metanogeensete bakterite 16S rRNA nukleotiidide järjestuste analüüs, mis näitas, et metanogeensed bakterid on fülogeneetiliselt sama lähedased nii bakteritele kui eukarüootidele (varem käsitleti elusloodust üksnes kahe suurrühma – eukarüootide ja prokarüootidena, Woese eristas kolmanda, prokarüoodid kaheks jaotades).
Tema kasutatud uusi molekulaarseid uurimisvõtteid kasutatakse tänapäeval laialdaselt organismide klassifitseerimisel.
