Podczas pobytu w Birmingham, na początku lat 70. XX wieku, John Michael Kosterlitz współpracował z Davidem J. Thoulessem w badaniach nad przemianami fazowymi w materiałach dwuwymiarowych. Fizycy sądzili, że w materiałach dwuwymiarowych przemiany fazowe nie występują, ponieważ każde uporządkowanie zostanie zniszczone przez przypadkowe fluktuacje termiczne. Bez przejścia fazowego nie mogłyby wystąpić zjawiska takie jak nadciekłość i nadprzewodnictwo. Kosterlitz i Thouless odkryli topologiczne przejście fazowe, w którym pary wirów tworzą się w niskich temperaturach, a następnie rozpraszają się wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana ta znana jest jako przejście Kosterlitz-Thouless (KT) (lub przejście Berezinski-Kosterlitz-Thouless [BKT]) i pojawia się w wielu innych obszarach fizyki.
W 2016 został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki wraz z Davidem J. Thoulessem i Duncanem Haldane’em za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii. John M. Kosterlitz otrzymał jedną czwartą nagrody.