Onsager fikk Nobelprisen i kjemi for å ha utledet de såkalte resiprositetsrelasjonene (gjensidighetsrelasjonene). Dette la grunnlaget for fagfeltet irreversibel termodynamikk, et fagfelt som gir lovene for energiomvandling og transport i systemer som ikke er i likevekt. Lovene er sentrale redskaper til å beskrive forandringer som skjer i både biologiske og industrielle systemer. Resiprositetsrelasjonene gir lovene en indre symmetri. Utledningen av relasjonene bygde på antakelsen om mikroskopisk reversibilitet, som betyr at bevegelser på molekylnivå ikke forandrer karakter, selv om vi forandrer retning på tiden.

Onsager fikk Nobelprisen i kjemi i 1968 for det samme arbeidet som han tok doktorgrad på i 1932.

Onsager ble også foreslått til en Nobelpris i fysikk for sin løsning av den todimensjonale Ising-modellen. Denne analytiske løsningen bidrar til å forklare kollektive fenomener, for eksempel hvordan partikler samvirker når vi får faseovergang. En faseovergang er en overgang fra en struktur til en annen, for eksempel fra en fast til en flytende fase, eller fra en magnetisk til en umagnetisk fase. Ising-modellen tar for seg hvordan magnetiske dipoler i et todimensjonalt gitter kan ha faseovergang, men løsningen hadde stor overføringsverdi til andre faseoverganger, og er derfor blitt stående som en milepæl i vitenskapshistorien.

Onsager bidro også til teorier for elektrolytter, kolloider, superfluider og superledere, turbulens, stokastisk analyse, metallers elektroniske egenskaper og dielektriske materialer.

Norsk Hydro opprettet i 1992 et gjesteprofessorat i Onsagers navn ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Hvert år holdes det en Lars Onsager-forelesning der, og gjesteprofessorer og -forelesere mottar Onsager-medaljen. Selv var Onsager kjent som en «umulig foreleser» og fagene hans på amerikanske universiteter ble spøkefullt omtalt som «Norwegian I and II» eller «Sadistical Mechanics».

NTNU markerte 100-årsdagen for hans fødsel i 2003 med en internasjonal konferanse med tittelen «Transport, dissipation, and vortices».

• Onsagers etterlatte papirer og boksamling finnes i Gunnerusbiblioteket, Universitetsbiblioteket i Trondheim