Die Forschungsarbeiten von Paul J. Crutzen beschäftigen sich mit der natürlichen und durch menschlichen Einfluss gestörten Photochemie des Ozons in der die Erde umgebenden Atmosphäre. 1986 legte er eine schlüssige Theorie über die Ursachen des rapiden Ozon-Verlustes in der winterlichen Stratosphäre über dem Südpol vor und zeigte auf, dass Chlor aus den Treibgasen und Kältemitteln FCKW als „Ozon-Killer“ in der Stratosphäre wirkt. Crutzen war entscheidend am Zustandekommen eines internationalen Übereinkommens zur Beschränkung der FCKW-Produktion im sogenannten Montrealer Protokoll beteiligt, das 1989 in Kraft trat.

Auch mit umweltrelevanten Problemen befasste Crutzen sich wissenschaftlich. So entwickelte er Modelle zu den klimatischen Folgen eines mit Kernwaffen geführten Krieges, dem „Nuklearen Winter“, und warnte wiederholt in politischem Rahmen vor diesen Auswirkungen auf das Klima. 2002 schlug Crutzen in einem Artikel in der Zeitschrift Nature zudem vor, ein neues Erdzeitalter, das Anthropozän, festzustellen. Zur Begründung legte er dar, dass der Mensch seit rund 300 Jahren ganz entscheidend die natürliche Umwelt verändert.

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