En 2001 obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus contribuciones a la comprensión del ciclo celular.
Compartió dicho premio con Paul Nurse y Tim Hunt, cuyas investigaciones se centraron en las ciclinas y otros aspectos de la división celular.
En una serie de experimentos que tuvieron lugar entre 1970 y 1971, Hartwell descubrió los genes CDC (ciclo de división celular) en la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae).
Estos genes regulan el ciclo celular y mutaciones en los mismos están involucradas en ciertos tipos de cáncer.
Además del Premio Nobel, Hartwell ha recibido múltiples condecoraciones.