Sus análisis filogenéticos en 1977 lo llevaron al descubrimiento de un nuevo dominio, Archaea.
La aceptación de la validez de las arqueas, que son procariotas pero no bacterias, fue un proceso lento.
Figuras relevantes como Salvador Luria y Ernst Mayr no estaban de acuerdo con esta división de las procariotas, si bien sus críticas no se reducían al ámbito científico.
No fue hasta mediados de los 80 cuando la creciente cantidad de datos llevó a la comunidad científica a la aceptación del nuevo dominio.
Woese ingresó en la Academia Nacional de Ciencias en 1988, en 1992 recibió la Medalla Leeuwenhoek, en 2000 la Medalla nacional de Ciencias y en 2003 fue galardonado con el premio Crafoord por la Academia sueca de Ciencias.