1927年，与查尔斯·威耳逊共同获得诺贝尔物理学奖；同年，当选为美国国家科学院院士。

1929年，担任芝加哥大学斯威夫特（C·H·Svift）讲座教授。

1942年12月，与恩利克·费米等人协作建立起了人类第一台核反应堆“芝加哥一号堆（Chicago Pile-1）”。

1942年—1945年，担任芝加哥气象实验室的项目主任，该实验室是曼哈顿计划（Manhattan Project）研究和开发的重要前哨。

1945年，返回圣路易斯华盛顿大学，担任第九任校长。

1953年，改任圣路易斯华盛顿大学自然科学史教授。

1961年，从圣路易斯华盛顿大学辞职，之后担任加州大学伯克利分校物理教授。

1962年3月15日，突发脑溢血，在加利福尼亚州伯克利逝世，终年70岁。

阿瑟·霍利·康普顿在内拉帕克期间，他跟通用电气公司的技术指导佐利·杰弗里斯（Zay Jeffries）配合，促进了荧光灯工业的发展。

1917年，阿瑟·霍利·康普顿在明尼苏达大学跟奥斯瓦德·罗格利（Oswrald Rognley）一起开始研究关于决定磁化效应对磁晶体X射线反射的密度问题。这项研究表明，电子轨道运动对磁化效应不起作用。他认为铁磁性是由于电子本身的固有特性所引起的，这是一个基本磁荷。这一看法的正确性后来由他在芝加哥大学指导的学生斯特思斯（J·C·Stearns）用实验得出的结果作了更有力的证明。

1923年，阿瑟·霍利·康普顿在研究X线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的X光外，还产生了波长λ≧λ0的X光，其波长的增量随散射角的不同而变化，这种现象称为康普顿效应（compton effect）。1923年5月在《物理评论》上以《X射线受轻元素散射的量子理论》为题，发表了他所发现的效应，他借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。

1930年—1940年，阿瑟·霍利·康普顿致力于宇宙线的研究，发现了逆康普顿效应。

阿瑟·霍利·康普顿指导的博士生吴有训排除了学术界对康普顿理论的异议，验证了康普顿效应。

阿瑟·霍利·康普顿的父亲担任过伍斯特学院哲学教授兼院长；大哥卡尔（Karl）是普林斯顿大学物理系主任，后来成为麻省理工学院院长。

阿瑟·霍利·康普顿在X射线领域的另一个重要贡献是从观察到的X射线衍射强度中提取材料中的电子密度分布（Another of Compton’s important contribution in this field was the extraction of electron density distributions in the material from the observed X-ray diffraction intensities）。（印度科学学院评）

阿瑟·霍利·康普顿在华盛顿大学期间对宇宙射线物理学做出了重要贡献，后来在第二次世界大战的原子弹项目中发挥了重要作用（In University of Chicago, he made important contributions to cosmic rays physics and later played a major role in World War II’s atomic bomb project as director of the Metallurgical Laboratory.）。（圣路易斯华盛顿大学评）

1966年，教育和培训与劳动力发展部设立亚瑟·霍利·康普顿教育奖（Arthur Holly Compton Award in Education），该奖通过爱德华·马林克罗特夫人和乔治·马林克罗特夫人的25000美元捐款实现。