Luận văn của ông về các phản ứng của cafein được Albert Benjamin Prescott ( 1832 – 1905), một người nổi tiếng về phân tích các chất hữu cơ và là Chủ tịch Hội Hóa học Mỹ ( 1886), hướng dẫn.

Năm 1893, trước khi nhận học vị tiến sĩ, Gomberg được chỉ định làm giảng viên và ông đã làm việc ở Michigan trong 43 năm.

Ngoài phát minh nổi tiếng về các gốc tự do, Gomberg còn nghiên cứu các chất màu, các este benzylic của cacbon hyđrat, các gốc (ClO4)x và tổng hợp chất biaryl theo phản ứng điazo (cơ chế Gomberg – Bachmann). Nghiên cứu ứng dụng của ông bao gồm việc sản xuất các chất chống đông, các dung môi mới dùng cho công nghiệp ô tô. Là thiếu tá danh dự trong quân đội Mỹ, ông tham gia tư vấn sản xuất thuốc nổ thường và thuốc nổ không khói. Trong Thế chiến I, ông tổng hợp etylen clohyđrin để sản xuất khí độc chiến tranh. Phương pháp của ông đã trở thành cơ sở cho quá trình sản xuất công nghiệp.

Vì các nghiên cứu của Gomberg với Presscott tập trung vào lĩnh vực phân tích nhiều hơn là tổng hợp nên ông đã sang Đức nghiên cứu (1896 – 1917) để hoàn thiện thêm kiến thức cho công tác giảng dạy. Ông đã được Adolf Von Baeyer (từng đoạt giải Nobel) hướng dẫn hai kỳ ở trường đại học Munich. Ông còn có một kỳ làm việc cùng giáo sư hóa học Victor Meiyer ở Haidelberg và đã tổng hợp thành công hợp chất tetraphenylmetan. Mặc dù nhiều nhà hóa học có tên tuổi đã thất bại nhưng chính Meiyer đã thuyết phục ông nghiên cứu đề tài này.

Khi trở về Michigan, Gomberg đã nghiên cứu tổng hợp hexaphenyletan (C6H5)6C2. Năm 1900, trong một lần thực hiện phản ứng của bột bạc với triphenylmetyl clorua (C6H5)3CCl trong dung dịch benzen, ông thu được một hợp chất không màu. Các phân tích cho thấy thành phần C và H lại thấp hơn so với các tính toán đối với hợp chất (C6H5)6C2 nên ông giả thiết rằng hợp chất thu được có chứa oxy lấy từ không khí. Bằng cách ngăn sự tiếp xúc của không khí, ông thu được một hyđro cacbon có hoạt tính rất mạnh. Hợp chất này tác dụng với oxy của không khí tạo thành peroxit.

Từ các nghiên cứu tiếp theo về hợp chất này ông rút ra kết luận: thí nghiệm của mình đã không tạo ra được hợp chất hexaphenyletan như mong muốn, mà chỉ thành hai nửa của phân tử này là (C6H5)3C chứa một điện tử chưa ghép đôi. Đó là một gốc tự do chứa C hóa trị 3. Sự tồn tại của nó hoàn toàn trái với lý thuyết đương thời. Giả thuyết này không phù hợp với các bằng chứng khác như việc xác định khối lượng phân tử. Gốc tự do monome lại có khối lượng tương đương một đime. Cuộc tranh luận về phát minh của ông diễn ra suốt một thập kỷ. Để phản bác lại sự bình luận của các nhà khoa học, ông đã công bố nhiều bài viết và các thực nghiệm khó làm (như màu sắc phụ thuộc vào sự tăng nhiệt độ, bằng chứng về sự tồn tại của các hợp chất ngoại lệ thể hiện tính chất của gốc tự do).

Ít nhất là sau một thập kỷ, ông mới được công nhận là người phát minh ra các gốc tự do.

Ngày nay, phát minh về gốc tự do của Gomberg được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất trong ngành hóa hữu cơ của thế kỷ 20. Ông trở thành Viện sĩ Viện Khoa học Quốc gia (1914), là hội viên của Hội Hóa học Hà Lan. Ông còn được Hội Hóa học Mỹ tặng thưởng nhiều huy chương. Năm 193l, ông kế nhiệm người thầy của mình là Prescott ở cương vị Chủ tịch Hội Hóa học Mỹ. Đã hơn 10 lần ( 1925 – 1940) ông nằm trong danh sách đề cử nhận giải Nobel hóa học, nhưng chưa bao giờ ông nhận được phần thưởng đó do nhiều lý do khác nhau.

Năm 1966, một hội thảo quốc tế được tổ chức tại Trường Đại học Michigan để kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Gomberg. Vào 15/6/2000, hội thảo kỷ niệm 100 năm ngày phát minh ra gốc tự do được tổ chức tại Trường này để đánh giá công lao đóng góp to lớn của Gomberg cho một lĩnh vực rất quan trọng của hóa học hữu cơ.