1953年，齐格勒在研究金属有机化合物和乙烯的反应时发现，有机铝化合物可以使乙烯在常温下聚合。他深入研究后得知，有机铝化合物中的铝-碳键周围存在特殊的电场，活性分子容易被拉进铝原子和碳原子之间，使有机链的长度得以增加；当碳链增长到一定程度，铝化合物的分解会阻止链长的进一步增加。不过实验初期所得的聚乙烯的相对分子质量不高，齐格勒推断可能是某种金属杂质抑制了反应的进一步进行。他研究了多种过渡金属对乙烯聚合反应的影响，意外地发现当乙烯聚合反应中同时存在三乙基铝和四氯化钛时，反应可在常温常压下顺利进行，获得性能良好的高分子产物聚乙烯。这一发现是聚乙烯合成领域的重大突破，它使大规模工业生产聚乙烯成为可能。

1954年，纳塔将齐格勒的催化剂进一步改进为三氯化钛和烷基铝体系，使之能用于催化合成高产率的聚丙烯。这类催化剂被称为齐格勒-纳塔催化剂。在聚合反应中，若支链的取向是随意分布的，产物常常具有不规则的空间构型。纳塔发现，某些类型的齐格勒-纳塔催化剂不仅可以控制支链的产生，生成无支链聚乙烯，还可让乙烯（或丙烯）按一定方向聚合。这种支链都指向同一方向的现象被称为全同立构。全同立构的聚合物的结构不同于一般的碳氢链的锯齿形结构，而是支链指向外侧的螺旋形结构，这使得它具有与其他聚乙烯不同的特殊性能。这种催化剂使得按照需要来设计大分子结构成为可能，聚合物链的形成从以前的任其自然转变为可人为掌控。

在此基础上，1957年，英国化学家凯勒首次从溶液中生长出聚乙烯单晶，并发现这种单晶的结构为折叠链组成的片晶。聚乙烯高分子化合物的研究工作至此又向前迈进了一大步。

齐格勒-纳塔催化剂的使用使聚合反应的条件由高压转成了低压，同时也改善了产物结构，优化了产物性能。鉴于这两位科学家在该领域的杰出贡献，他们共同获得1963年诺贝尔化学奖。