Во время Второй мировой войны он участвовал в разработке атомной бомбы («Манхэттенский проект»), а позже исследовал последствия её применения в Хиросиме. После окончания войны, в 1946 году, им был построен первый линейный ускорительпротонов с трубками дрейфа. Позже Альварес создал первую большую пузырьковую камеру и разработал современную методику работы с такими устройствами, что сделало их пригодными для количественного исследования элементарных частиц. В частности, под его руководством была реализована водородная пузырьковая камера и получены миллионы снимков взаимодействий частиц. Что касается методики, то на её основе, начиная с 1955 года, был осуществлен большой цикл исследований, приведший к открытию в 1960 году короткоживущих нестабильных частиц — так называемых резонансов. Эта работа в 1968 году была удостоена Нобелевской премии по физике («За открытие множества резонансных состояний, ставшее возможным благодаря использованию водородных пузырьковых камер и анализу данных»[5]).
Вместе с большим коллективом исследователей в 1956 году Альварес обнаружил новую элементарную частицу — сигма-нуль-гиперон. В 1955—1956 годах им было экспериментально доказано, что тау- и тета-мезоны имеют приблизительно равные массы и времена жизни, что говорит об идентичности этих частиц. В 1956 Альварес открыл важное явление мюонного катализа, а в 1961 году ещё одну частицу — омега-мезон.
Храмов Ю. А. Альварес Луис Уолтер // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 12. — 400 с. — 200 000 экз.
Alvarez L. W. . Alvarez: Adventures of a Physicist. — New York: Basic Books, 1987. — xii + 292 p. — ISBN 0-465-00115-7.
