A contribuição mais conhecida de Polanyi foi na área de cinética química e cinética dinâmica. Por volta de 1919, Polanyi começou a desenvolver um método experimental para quimiluminescência e ‘flamas altamente diluídas’ para estudar as taxas de reação entre gases como vapor de sódio e gás de cloro. Em 1929 ele desenvolveu, juntamente com Henry Eyring, o procedimento que passou a ser chamado ‘método semi-empírico’ para prever energias de ativação de reações químicas. No artigo de Eyring e Polanyi foi apresentado um dos primeiros modelos de energia potencial de superfície para reações químicas. Este artigo, juntamente com outros publicados por Polanyi, Eugene Wigner e H. Pelzer, vieram a ser conhecidos como os que fundaram a moderna área de dinâmica química.
Seu filho, John Polanyi, seguiu os passos do pai na área da dinâmica de reações químicas fundamentais e ganhou o Prêmio Nobel de Química de 1986 compartilhado com Dudley Herschbach e Yuan T. Lee. Além dele, dois de seus alunos, Melvin Calvin e Eugene Wigner, receberam Prêmio Nobel.