I 1920 ble Odd Hassel cand. real. med kjemi hovedfag og bifagene matematikk, fysikk og mekanikk Det Kongelige Frederiks Universitet i Kristiania. Ved immatrikuleringen i 1915 hadde hanVictor Moritz Goldschmidt som privat preseptor, og som sin veileder i hovedfaget valgte han faren,Heinrich Jacob Goldschmidt. Hassel holdt kontakt med begge gjennom livet, og de hadde stor betydning for ham.

Etter eksamen dro Hassel til utlandet. I to semestre studerte han kjemi i München hosKasimir Fajans, hvor han var med å utvikle en nytitreringsmetode. Sommeren 1923 dro han til det berømte Fritz-Haber-Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie i Dahlem (nå en del av Berlin). Her var det et meget stimulerende miljø med en rekke tidligere og senere nobelprisvinnere i kjemi og fysikk. Hassel ble knyttet til avdelingen for tekstilkjemi, hvor han lærte å bestemme krystallstrukturer medrøntgendiffraksjon avHerman Mark, som senere ble en pioner i polymervitenskap.

I oktober 1924 tok Hassel sin dr.phil.-grad på en avhandling om en studie av krystaller av to organiske stoffer. Han fortsatte arbeidet i Berlin med Rockefeller-stipendium til han sommeren 1925 dro tilbake til Kristiania hvor han ble universitetsstipendiat. Sammen med Mark publiserte han krystallstrukturen avgrafitt, som vakte internasjonal oppmerksomhet.

Hassel hadde med seg utstyr for røntgendiffraksjon til Kjemisk laboratorium i Fredriksgate. Allerede året etter ble han dosent i fysikalsk kjemi og elektrokjemi. I 1929 overtok han Victor Goldschmidts kontor og laboratorium på Tøyen, da Goldschmidt hadde akseptert en stilling ved universitetet iGöttingen. Her bygget han opp en forskningsgruppe med flere hovedfagsstudenter. I 1934 ble han utnevnt til professor i fysisk kjemi og flyttet over til den nye Fysikk-kjemibygningen på Blindern.

Hassel var en meget aktiv forsker og bestemte krystallstrukturen av en rekke uorganiske forbindelser. Dette var fortsatt i røntgenkrystallografiens barndom, og bare svært enkle strukturer lot seg løse.

I 1934 skrev han en bok på tysk,Kristallchemie, hvor han summerte opp sine og andres resultater. Den gjorde ham kjent, boken ble oversatt til engelsk og russisk og inspirerte mange til å starte studier av stadig mer komplekse krystallstrukturer.

Arbeidet han fikk Nobelprisen for i 1969, startet allerede i 1930. Forbindelsen han studerte varsykloheksan. Det er en ring av seks -CH₂-grupper. Noen hevdet den var plan. Da ville C-C-C vinkelen være 120°. Andre mente at den kunne ikke være plan, fordi man visste at i metan, CH₄, ligger de fire H-atomene i hjørnene av ettetraeder, slik at vinkelen H-C-H er lik 109,5°. Det krever energi å øke vinkelen fra 109,5° til 120°. Bygger man en modell av molekylet kan man lage to ikke-plane modeller hvor C-C-C-vinkelen er 109,5°. Den ene ligner en båt og den andre en stol. Men var molekylet i en av disse formene, skulle man vente mer enn enisomer av derivater av sykloheksan enn noen hadde funnet. Så dette var oppgaven Hassel gikk løs på: hva er strukturen av sykloheksanmolekylet, og hvor mange isomere er det?

Det tok lang tid før han løste oppgaven. Han trengte midler og medarbeidere for å løse den, og for å få det til måtte han bli professor. Først i 1934 ble det opprettet et professorat i fysisk kjemi som han fikk. Samtidig flyttet kjemikerne fra den foreldede og overbefolkede Domus Chemica i Fredriksgate til østfløyen i den nye Fysikk-kjemibygningen på Blindern.

Hassel hadde evnen til å tiltrekke seg og inspirere flinke studenter. Den mest fremtredende i 1930-årene varChristen Finbak. Han var en dyktig konstruktør av et apparat forelektrondiffraksjon. Det var apparatet Hassel trengte for å få bestemt strukturen av derivater av sykloheksan. Men det tok tid å få teori og apparat til å fungere slik at tilstrekkelige nøyaktige strukturer kunne bestemmes. Først i 1943 ble den første viktige artikkelen publisert, og først i 1947 var løsningen klar.

Av hans studenter og medarbeidere fra denne tiden kan nevnesHenry Viervoll,Alf Sanengen, Brynjulf Ottar,Sven Furberg ogOtto Bastiansen. Sanengen var den første direktør for Sentralinstitutt for industriell forskning (SI, nåSINTEF) med Henry Viervoll som leder for fysikkavdelingen og senere visedirektør. Brynjulf Ottar (1918–1989) var forskningssjef påForsvarets forskningsinstitutt fra 1950 til 1969, da han ble den første direktør forNILU.

Hassel slo fast at sykloheksanmolekylet er i stolform. På hvert C-atom er det to forskjellige bindinger. Den ene kalles aksial, fordi den er parallell med molekylets 3-tallige akse, og den andre kalles ekvatorial (se figur). Grunnen til at man ikke hadde funnet flere isomere er at molekylet klapper raskt om, og da går den aksiale bindingen over til å bli ekvatorial, og omvendt. Men om man ikke kunne isolere isomere, så observerte man at det var to forskjellige molekyler av forbindelsen 1,2-dibromsykloheksan i gassen på tross av at det bare var en form i det faste stoffet. I den ene formen av molekylet var begge Br-C-bindingene ekvatoriale, og i den andre var begge bindingene aksiale. I ettertid ble de to formene kaltkonformere. Og det var dette konformerbegrepet Hassel, sammen medDerek Barton, fikk Nobelprisen for i 1969.

Midt på 1950-tallet tok Hassel opp et nytt forskningsområde. AmerikanerenRobert Mulliken hadde på grunnlag av spektroskopiske studier foreslått strukturen av forbindelser som dels kallesaddisjonsforbindelser, delscharge-transfere forbindelser. Det er forbindelser mellom molekyler som 1,4-dioksan og brom (Br₂). Hassel og medarbeidere fant at molekylene var bundet sammen i lange kjeder helt forskjellig fra den modellen Mulliken og andre spektroskopikere hadde foreslått. Hassel holdt foredrag om disse forbindelsene da han ble tildelt Nobelprisen i 1969.