Dieter Oesterhelt entdeckte, dass das Pigment Retinal nicht nur in der Netzhaut von Wirbeltieren, sondern auch in einzelligen Archaeen vorkommt. Als Bestandteil von Rhodopsin ist es für den Sehvorgang der meisten Wirbeltiere, einschließlich des Menschen, notwendig. Das lichtempfindliche Bakteriorhodopsin pumpt positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) aus der Zelle, sobald es beleuchtet wird. Dadurch entsteht ein Gradient – ein Protonen-Konzentrationsgefälle – zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle, was wiederum zum Aufbau eines elektrischen Membranpotenzials führt. So wird das absorbierte Licht in elektrochemische Energie umgewandelt und von der Zelle genutzt. Gemeinsam mit seinem Team ist es Oesterhelt gelungen, Kristalle des Bakteriorhodopsins zu züchten und deren Aufbau und die räumliche Struktur aufzuklären. Die dafür entwickelten Methoden sind heute noch wichtig für Untersuchungen zur Struktur von Membranproteinen. Die Entdeckung des Bakteriorhodopsins war entscheidende Grundlage für die Entwicklung der Optogenetik. Mit dieser Methode lassen sich Zellen mittels Lichtimpuls gezielt aktivieren und beeinflussen.

Dieter Oesterhelt studierte Chemie an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. 1967 wurde er am Institut für Biochemie der LMU promoviert. Anschließend forschte er am Max-Planck-Institut für Zellchemie in München sowie am Institut für Biochemie der LMU. 1969 und 1970 absolvierte er einen Forschungsaufenthalt an der University of California, San Francisco/USA. Im Jahr 1973 folgte seine Habilitation. Danach war er bis 1975 Leiter einer Arbeitsgruppe am Friedrich-Miescher-Laboratorium in Tübingen und wurde 1975 als Ordentlicher Professor an das Institut für Biochemie der Universität Würzburg berufen. Ab 1979 war Oesterhelt Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Seit 2008 leitet er dort eine Emeritus-Forschungsgruppe. Für seine Arbeiten wurde der Biochemiker bereits vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit der Liebig-Denkmünze, der Otto-Warburg-Medaille und dem Werner-von-Siemens-Ring. 2004 erhielt Oesterhelt das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse der Bundesrepublik Deutschland und 2016 den Bayerischen Maximiliansorden für Wissenschaft und Kunst. Seit 1989 ist er Mitglied der Leopoldina, die ihn 1993 mit der Mendel-Medaille für seine Pionierleistungen auf dem Gebiet der allgemeinen Biologie ehrte.

Die Lasker Awards gelten als bedeutendster biomedizinischer Forschungspreis der USA. Die Auszeichnung würdigt Erkenntnisse, die maßgeblich zu Verständnis, Diagnose, Behandlung, Heilung oder Vorbeugung von Erkrankungen beigetragen haben. Die Preise werden neben Biomedizin auch in den Kategorien Clinical Research und Special Achievement verliehen. Sie sind jeweils mit 250.000 US-Dollar dotiert. 95 Lasker-Preisträgerinnen und -Preisträger bekamen später den Nobelpreis, darunter auch die Leopoldina-Mitglieder Christiane Nüsslein-Volhard, Sir Peter J. Ratcliffe, Thomas C. Südhof, Georges Köhler und Ernst Ruska.