Van Allen genoot grote faam als natuurkundige gespecialiseerd in ruimtevaart en kosmologie. Hij ontwikkelde in de jaren ’40 en ’50 theorieën over kosmische stralingsgordels rond de aarde. Het bestaan van deze gordels van geladen deeltjes werd eind jaren ’50 bevestigd door de Explorersatellieten. Ze staan in de natuur- en sterrenkunde te boek als de Van Allengordels. De ontdekking van Van Allen leidde tot de ontwikkeling van een hele nieuwe tak van wetenschap, de magnetospherische fysica.Van Allen, als hoogleraar decennia verbonden aan de universiteit van Iowa, was een zeer veelzijdig wetenschapper. Hij was betrokken bij een groot aantal verschillende projecten, uiteenlopend van de ontwikkeling van boordtechnologie voor de eerste Amerikaanse satellieten tot de organisatie van wetenschappelijke congressen.

Van Allen was eind jaren ’50 een van de leidende wetenschappers bij de ontwikkeling van een Amerikaans antwoord op de eerste onbemande Russische satellieten, de Spoetniks, waarmee de Russen een voorsprong namen op de Amerikanen in de ruimtewedloop. Van Allen ontwikkelde zich later tot een uitgesproken tegenstander van het grootschalige bemande ruimtevaartprogramma dat hij slecht doordacht en onnodig vond. Twee jaar geleden sprak hij zich nog uit tegen voorstellen van president George Bush voor een bemand ruimtestation op de maan en een bemande missie naar Mars.

In 1987 kreeg Van Allen van toenmalig president Ronald Reagan de National Medal of Science, de hoogste Amerikaanse wetenschappelijke onderscheiding. In 1989 ontving hij de Crafoord Prijs, toegekend door de Zweedse Academie van Wetenschappen voor onderzoekers die werkzaam zijn in disciplines die niet onder de Nobelprijs vallen. Sinds 1959 was hij lid van de Amerikaanse Academie van Wetenschappen.