Во время пребывания в Принстоне (в 1937) предложил теоретическую модель, названную впоследствии его именем "машина Тьюринга", – абстрактную вычислительную машину, с помощью которой уточняется понятие вычислимости и алгоритма. Положение, получившее название "тезис Тьюринга", гласит, что множество всех алгоритмов, вычислимых по Тьюрингу (т.е. с помощью машины Тьюринга), совпадает с множеством всех (эффективно) вычислимых алгоритмов. Впоследствии занимался теоретическим программированием, ввел понятие стека, интересовался математической биологией.