Autor licznych prac głównie z zakresu kwantowej teorii pola i fizyki matematycznej. Był jednym z twórców, oprócz R.Ph. Feynmana, J.S. Schwingera i Sh. Tomonagi, współczesnej elektrodynamiki kwantowej. Zajmował się także problemem cywilizacji pozaziemskich.
Nagrody i wyróżnienia Dyson był członkiem licznych stowarzyszeń naukowych, m.in. Royal Society od roku 1952 i U.S. National Academy of Sciences od roku 1964.
Otrzymał liczne nagrody, w tym: 1965: Dannie Heineman Prize for Mathematical Physics, 1966: Medal Lorentza od Królewskiej Holenderskiej Akademii Sztuki i Nauki, 1968: Hughes Medal, 1969: Medal Maxa Plancka od Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, 1981: Nagroda Wolfa w dziedzinie fizyki, 1989: Matteucci Medal, 1991: Medal Oersteda, 1993: Nagroda Enrica Fermiego, ang. Enrico Fermi Award The Enrico Fermi Award. Award Laureates , U.S.