Работы относятся к ядерной физике, теории столкновений, квантовой теории поля, теории элементарных частиц, физике высоких энергий. В 1948 развил теорию взаимодействия нейтронов с энергией порядка 100 МэВ с тяжелыми ядрами (докторская диссертация, руководитель - Э.Ферми). Совместно с
М. Гелл-Манном и
В. Тиррингом разработал (1954) метод дисперсионных соотношений в квантовой теории поля, совместно с Гелл-Манном (1953) — одну из формулировок формальной теории рассеяния. В 1954 с Р. Эме и Х. Миядзава предложили дисперсионные соотношения для пион-нуклонного рассеяния и правило сумм, давшее хорошее согласие с экспериментом. С Тиррингом исследовал рассеяние мезонов на нуклонах в предельном случае малой энергии мезонов, с Гелл-Манном сформулировал общую теорему для мезонных процессов с полным изменением импульса. Независимо от других ввел в 1957-58 соотношение, называемое «кроссинг-симметрией» (М. Гольдбергер и С. Трейман положили начало применению дисперсионных соотношений к слабым взаимодействиям, введя т.н. соотношение Гольдбергера – Треймана). Развил теорию ядерных реакций при высоких энергиях на основе метода Монте-Карло.
Премия Д. Хейнемана (1961).