Первая жена (1950—1958) — математик Ферена Хубер-Дайсон[нем.], в браке родились писательница и общественный деятель Эстер Дайсон и историк науки Джордж Дайсон[англ.]. Вторая жена (с 1959 года) — легкоатлетка Имме Юнг, во втором браке — четверо детей.
Жил по соседству с Альбертом Эйнштейном, Опенгеймером, Зворыкиным.
В области астрофизики изучал пульсары и нейтронные звезды. Также является автором концепции сферы Дайсона — гипотетического сооружения, которое представляет собой тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре, идею позаимствовал из книги «Создатель звезд» фантаста Олафа Стэплдона. Предполагается, что развитая цивилизация может использовать сферу Дайсона для полного использования энергии центральной звезды и решения проблемы жизненного пространства, Дайсон предложил опираться на эти представления при поиске внеземных цивилизаций. Кроме того, Дайсон уделял большое внимание вопросу колонизации транснептуновых объектов.
Участвовал в работе над проектом пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля «Орион».
Dyson F. Disturbing the Universe. — Basic Books, 1979.
Dyson F. Weapons and Hope. — Harpercollins, 1984. Русский перевод: Дайсон Ф. Оружие и надежда. — М.: Прогресс, 1990.
Dyson F. From Eros to Gaia. — Pantheon Books, 1992.
Dyson F. Imagined Worlds. — Harvard University Press, 1997.
Dyson F. The sun, the genome and the internet: Tools of scientific revolutions. — Oxford University Press, 1999.
Dyson F. Origins of Life. — Cambridge University Press, 2004.
Dyson F. The Scientist as Rebel. — New York Review Books, 2006.
Dyson F. A Many-Colored Glass: Reflections on the Place of Life in the Universe. — University of Virginia Press, 2007.
Dyson F. Advanced Quantum Mechanics. — World Scientific, 2007. — ISBN 978-981-270-661-4. Русский перевод: Дайсон Ф. Релятивистская квантовая механика. — М.—Ижевск: ИКИ, НИЦ «РХД», 2009. — ISBN 978-5-93972-782-2.
Dyson F. Dreams of Earth and Sky. — New York Review Books, 2015. Русский перевод: Дайсон Ф. Мечты о Земле и о небе. — СПб.: Питер, 2017. — ISBN 978-5-496-02399-3.
Dear Professor Dyson: Twenty Years of Correspondence Between Freeman Dyson and Undergraduate Students on Science, Technology, Society and Life / ed. D.E. Neuenschwander. — World Scientific, 2016.
Dyson F. Maker of Patterns: An Autobiography through Letters. — W. W. Norton & Co., 2018.
Dyson F. J. The S Matrix in Quantum Electrodynamics // Physical Review. — 1949. — Vol. 75. — P. 1736-1755. — doi:10.1103/PhysRev.75.1736.
Dyson F. J. Divergence of Perturbation Theory in Quantum Electrodynamics // Physical Review. — 1952. — Vol. 85. — P. 631-632. — doi:10.1103/PhysRev.85.631.
Dyson F. J. The Dynamics of a Disordered Linear Chain // Physical Review. — 1953. — Vol. 92. — P. 1331-1338. — doi:10.1103/PhysRev.92.1331.
Dyson F. J. Electron Spin Resonance Absorption in Metals. II. Theory of Electron Diffusion and the Skin Effect // Physical Review. — 1955. — Vol. 98. — P. 349-359. — doi:10.1103/PhysRev.98.349.
Dyson F. J. General Theory of Spin-Wave Interactions // Physical Review. — 1956. — Vol. 102. — P. 1217-1230. — doi:10.1103/PhysRev.102.1217.
Dyson F. J. Thermodynamic Behavior of an Ideal Ferromagnet // Physical Review. — 1956. — Vol. 102. — P. 1230-1244. — doi:10.1103/PhysRev.102.1230.
Dyson F. J. Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation // Science. — 1960. — Vol. 131. — P. 1667-1668. — doi:10.1126/science.131.3414.1667.
Dyson F. J. A Brownian‐Motion Model for the Eigenvalues of a Random Matrix // Journal of Mathematical Physics. — 1962. — Vol. 3. — P. 1191-1198. — doi:10.1063/1.1703862.
Dyson F. J., Lenard A. Stability of Matter. I // Journal of Mathematical Physics. — 1967. — Vol. 8. — P. 423-434. — doi:10.1063/1.1705209.
Dyson F. J. Existence of a phase-transition in a one-dimensional Ising ferromagnet // Communications in Mathematical Physics. — 1969. — Vol. 12. — P. 91-107. — doi:10.1007/BF01645907. Русский перевод: Дайсон Ф.Дж.Существование фазового перехода в одномерной модели Изинга // Математика. — 1972. — Т. 16. — С. 137-152.
Дайсон Ф. Томонага, Швингер и Фейнман — лауреаты нобелевской премии по физике // УФН. — 1967. — Т. 91. — С. 71-73. — doi:10.3367/UFNr.0091.196701f.0071.
Храмов Ю. А. Дайсон Фримен Джон (Dyson Freeman John) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 96—97. — 400 с. — 200 000 экз.