Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó con Sir Mark Oliphant en California en el proyecto de la bomba atómica de Manhattan. Luego se incorporó al equipo de Randall en St Andrew's, trasladándose a King's College, Londres, en 1946 cuando Randall fue nombrado Jefe de Física y allí estableció la Unidad de Biofísica del Consejo de Investigación Médica [Medical Research Council - MRC].

Utilizando la espectroscopia para estudiar el ADN, Wilkins desarrolló nuevos tipos de microscopios y cámaras y, junto con Ray Gosling, consiguió nuevas imágenes de la forma A de la molécula. En 1951, Rosalind Franklin fue contratada para realizar espectroscopia de rayos-X en el equipo de Randall y ella obtuvo estructuras de la forma B las cuales tenían una mayor humedad y revelaron una marcada estructura cruciforme. A principios de 1953, Wilkins enseñó una de estas estructuras a Jim Watson de la Universidad de Cambridge. La estructura proporcionó dimensiones cruciales para el modelo que Watson y Crick empezaron a construir.

Cuando lo vio Wilkins en Cambridge en marzo de 1953, reconoció que el modelo coincidía fundamentalmente con el trabajo suyo y de Franklin, aunque aportaba importantes adiciones. En la carta que dirigieron Watson y Crick a la revista "Nature", en abril de 1953, reconocieron que "les habían estimulado sus conocimientos del carácter general de los experimentos e ideas de Wilkins y Franklin y sus colaboradores".

Wilkins y sus colegas en King's College pasaron siete años verificando el modelo hipotético que Watson y Crick habían construido: no se concluyó el trabajo hasta la llegada de los computadores a finales de los años 50. Por esto, y por su trabajo inicial sobre la difracción de los rayos-X, se le concedió a Wilkins el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, junto con Crick y Watson, en 1962.

Wilkins fue Catedrático de Biología Molecular en King's College entre 1963 y 1970; Catedrático de Biofísica entre 1970 y 1981; Director de la Unidad de Biofísica Celular del MRC en King's College entre 1974 y 1980, y ha sido Catedrático Emérito de Biofísica en King's desde 1981. Fue Presidente de la Sociedad Británica para la Responsabilidad Social en la Ciencia entre 1969 y 1991, y de Alimentos y Desarme Internacional desde 1984. Ha publicado numerosos estudios científicos sobre temas de luminescencia y biofísica, es Miembro de King's College y ha recibido muchos doctorados honorarios y otros galardones.