Es conocido por la innovadora novela corta Una odisea marciana, protagonizado por un alienígena no humano muy simpático, Tweel. Aún más notable, esta fue su primer obra de ciencia ficción (en 1933 había vendido una novela romántica, Los bailes de la dama a King Features Syndicate, que la público en una serie en los periódicos a principios de 1934). Isaac Asimov describió a Una odisea marciana como una «perfecta historia campbelliana de ciencia ficción, anterior a John W. Campbell». En efecto, Tweel puede ser la primer criatura en la ciencia ficción en cumplir el postulado de Campbell: «escríbame sobre una criatura que piense tan bien como un ser humano, o mejor que uno, pero no como un ser humano». Asimov la señaló como una de las tres historias que cambiaron todo lo sucesivo en el género. Es el cuento de ciencia ficción más antiguo (y uno de los más votados) seleccionados por Science Fiction Writers of America para su inclusión en The Science Fiction Hall of Fame, Volume One, 1929-1964.

La mayoría de los trabajos publicados durante su vida aparecieron en Astounding o en Wonder Stories. Sin embargo, varios escritos de Weinbaum se publicaron por primera vez en la vieja fanzine Fantasy Magazine (sucesora de Science Fiction Digest) en la década de 1930, incluyendo un resumen autobiográfico en la edición de junio de 1935. A pesar de la creencia popular, Weinbaum no fue contribuyente de la serie Cosmos en Science Fiction Digest/Fantasy Magazine, pero si lo hizo en The Challenge From Beyond, publicada en Fantasy Magazine de septiembre de 1935. En la época de su muerte Weinbaum escribía una novela ,Three Who Danced.