Gründungsdirektor Otto Meyerhof (Teilinstitut Physiologie, 1929–1938), der schon 1922 den Nobelpreis für Medizin erhalten hatte, trug mit seinen Studien über chemische Vorgänge im Muskel maßgeblich zum Verständnis der Pfade und der Energetik des zellulären Stoffwechsels bei.
Karl Lohmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter Meyerhofs, entdeckte 1929 das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) – universeller Energieträger in lebenden Organismen.
Gründungsdirektor Richard Kuhn (Teilinstitut Chemie, 1929–1967) gelangen zahlreiche Synthesen und Entdeckungen in der organischen Chemie. Zu den wichtigsten zählen die Strukturaufklärung von Carotinoiden sowie die Synthese von Vitamin B6, für welche er 1938 den Nobelpreis in Chemie erhielt.
Walther Bothe (Teilinstitut Physik, 1933–1957) baute am Institut in Zusammenarbeit mit Wolfgang Gentner das erste Zyklotron Deutschlands und erzeugte damit Isotope für erste Anwendung der Radioaktivität in der Biochemie. 1954 erhielt er den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung der Koinzidenzmethode.
Rudolf Mößbauer forschte 1955–1957 im Teilinstitut von Walther Bothe und verfasste dort seine Doktorarbeit. Für die Entdeckung des darin beschriebenen Mößbauer-Effekts erhielt er 1961 den Nobelpreis in Physik.
Wilhelm Hasselbach (Abteilung Physiologie, 1967–1988) erforschte die Rolle von Kalzium bei der Regulation von Muskelkontraktionen. Mit der Entdeckung der Kalziumpumpe trug er entscheidend zum Verständnis von Muskel- und Herzfunktion bei.
Kenneth C. Holmes (Abteilung Biophysik, 1968/1973–2003) entwickelte die Nutzung der intensiven Röntgenstrahlen eines Synchrotrons (DESY, Hamburg) zur Untersuchung biologischer Proben anhand von Röntgenbeugung und ermöglichte dadurch unzählige spätere Durchbrüche in der Strukturbiologie.
