En 1969, il a reçu le Prix Nobel de Physique pour son travail sur la théorie des particules élémentaires. Il est l'auteur de "The Quark and the Jaguar", publié en 1994, dans lequel ses idées sur la simplicité et la complexité sont présentées à un public général.
Parmi ses contributions à la physique se trouve le schéma "huit fois" qui a apporté de l'ordre au chaos créé par la découverte d'environ 100 types de particules dans des collisions impliquant des noyaux atomiques. Gell-Mann a ensuite découvert que toutes ces particules, y compris le neutron et le proton, sont composées de blocs de construction fondamentaux qu'il a nommés "quarks", avec des propriétés très inhabituelles.
Cette idée a depuis été pleinement confirmée par l'expérience. Lui et d'autres ont ensuite construit la théorie quantique des champs des quarks et des gluons, appelée "chromodynamique quantique", qui semble rendre compte de toutes les particules nucléaires et de leurs interactions fortes. Le professeur Gell-Mann a été directeur de l'Institut pour les sciences de Santa Fe de 1974 à 1988, il a été Regent citoyen de l'Institution Smithsonian. Il appartenait à l'Académie nationale des sciences, à l'Académie américaine des arts et des sciences, à la Société philosophique américaine et au Conseil des relations étrangères; il était également membre étranger de la Royal Society de Londres.
Il a siégé au Comité consultatif scientifique du président des États-Unis de 1969 à 1972 et au Comité des conseillers du président sur la science et la technologie de 1994 à 2001. En 1988, le professeur Gell-Mann a été inscrit sur le Roll of Honor for Environmental Achievement (The Global 500) du Programme environnemental des Nations unies.
Il a également partagé le prix Ettore Majorana "Science for Peace" en 1989. Auparavant, il avait reçu le prix commémoratif Ernest O. Lawrence de la Commission de l'énergie atomique, la médaille Franklin de l'Institut Franklin, le prix de la Research Corporation et la médaille John J.
Carty de l'Académie nationale des sciences. En 2005, Gell-Mann a reçu la médaille Albert Einstein. Il a reçu des diplômes honorifiques de nombreuses universités, dont Yale, Columbia, l'Université de Chicago, Cambridge et Oxford. En 1994, l'Université de Floride lui a décerné un diplôme honorifique en études environnementales. Une pièce vraiment unique de l'histoire.