Tras publicar varios trabajos de espectrografía entre los años 1916 y 1920, Catalán recibió una pensión de la Junta con la que marchó a Londres (Reino Unido) para trabajar en el laboratorio de Alfred Fowler, profesor de astrofísica del Royal College of Science.

Sus investigaciones en la capital inglesa le llevaron a descubrir los multipletes en el espectro del átomo de manganeso, contribuyendo de esta forma a la introducción de las altas multiplicidades en la espectroscopia atómica.

Su teoría de los multipletes se convirtió en el método con el que trabajaron desde entonces todos los laboratorios en los que estudiaban los patrones orbitales en que se mueven los electrones satelitarios del núcleo.

En sus trabajos se basaron las investigaciones de Sommerfeld. Entre 1924-1925 estuvo becado en Munich (Alemania) por la International Education Board (Fundación Rockefeller).

Fundador y director del Instituto Nacional de Física y Química en 1932. Profesor del Instituto-Escuela de Madrid y catedrático de Estructura Atómico-Molecular y Espectroscopia de la Universidad de Madrid (1934).

Tras la Guerra Civil (1936-1939) fue expulsado del Instituto y pasó a trabajar en la industria privada. Reincorporado a su cátedra en 1946 fue nombrado jefe de la sección de espectros atómicos del Instituto de Óptica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Trabajó en las universidades estadounidenses de Princeton y Berkeley.

Un cráter de la Luna lleva su nombre, en honor a sus contribuciones en el campo de la astrofísica.

Entre sus numerosas publicaciones merecen destacarse La órbita fundamental de los átomos y Los espectros de multipletes.

Miembro de la Joint Comissions for Espectroscopy del Internacional Scientific Unions (1952) y de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de Madrid.

Galardonado con el "Premio Pelfort" en 1930.