Grazie alle sue scoperte, in materia di interazioni tra virus tumorali e materiale genetico della cellula, è stato insignito del Premio Nobel per la medicina nel 1975, assieme a David Baltimore e Howard Temin. Alla cerimonia del Nobel, Renato Dulbecco, che era da sempre un alfiere della lotta contro il fumo, non perse l'occasione per lanciare una dichiarazione contro il tabagismo.