Perrin a modificat modelul atomic al lui Thomson și a sugerat pentru prima dată că Încărcăturile negative sunt externe la nucleu. În 1895, el a constatat că razele catodice se încarcă încărcarea într-un electroscop, cu care a confirmat că a fost particulele încărcate negativ. A fost pentru acele date când engleza Joseph John Thomson a fost interesat de măsurarea vitezei unor astfel de particule, care ar fi identificate în cele din urmă ca electroni. În 1908 a calculat exact numărul de avogadro (numărul de molecule conținute într-un mol de gaz în condiții normale).
După ce Albert Einstein a publicat în 1905 explicația sa teoretică despre mișcarea brunsă în termeni de atomi, Perrin efectuat Lucrările experimentale pentru a dovedi și a verifica predicțiile lui Einstein, rezolvând disputa care a durat un secol pe teoria atomică făcută de John Dalton. Propus de Carl Benedicks, Perrin a primit în 1926 Premiul Nobel pentru fizică pentru lucrarea sa legată de discontinuitatea materiei și de descoperirea echilibrului de sedimentare. Aceste descoperiri au pus capăt definitiv la disputa lungă (a se vedea: istoria teoriei moleculare) în ceea ce privește chestiunea realității fizice a moleculelor.
În 1919 a propus ca procesele nucleare să poată oferi sursa de energie în stelele. El și-a dat seama că masa unui atom de heliu este mai mică decât cea a patru atomi de hidrogen și că echivalența dintre masa și energia Einsteinică implică faptul că fuziunea nucleară (4 ore → el) ar putea elibera suficientă energie pentru a face strălucirea stelelor pentru miliarde de miliarde ani. O teorie similară a fost propusă pentru prima dată de chimistul american William Draper Harkins în 1915. Hans Bethe și Carl Friedrich von Weizsäcker au determinat mecanismul detaliat al nucleosintezei stelare în anii 1930.
În 1927, a fondat el Institut de Biologie fizico-Chimique împreună cu chimistul André Job și fiziologul André Mayer. A fost finanțat de Edmond James de Rothschild. În 1937, Perrin a fondat un muzeu științific din Paris, Palatul descoperirii.
este considerat fondatorul tatălui Centrului Național de Cercetare Științifică (CNRS). În urma unei petiții de Perrin, semnată de mai mult de 80 de oameni de știință, inclusiv a opt premii Nobel, ministrul educației franceze a creat Consiliul Superior de Cercetare Științifică (Consiliul Național de Cercetare al Franței) în 1936, Perrin, apoi cercetarea subsecretară, a înființat centrul central Serviciul de Cercetare Științifică (Agenția Centrală Franceză pentru Cercetare Științifică). Ambele instituții au fuzionat sub umbrela CNR-urilor din 19 octombrie 1939.
printre studenții lor notabili figura Pierre Victor Super.