È noto soprattutto per le ricerche sulla struttura e sulla permeabilità delle membrane cellulari, di cui ha concepito un modello fisico-chimico in collaborazione del fisiologo Hugh Davson. Tale modello è anche noto col nome di "modello Danielli-Davson". Ha svolto inoltre studi sulla chimica degli enzimi e delle proteine e tentato la ricostruzione artificiale della cellula.
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