Znany przede wszystkim ze stworzonego razem z konkubiną Maj Sjöwall cyklu powieści kryminalnych z bogatym tłem obyczajowym, znanego jako „roman om ett brott” (dosłownie: „powieści o przestępstwie”, na polski tłumaczone też jako „opowieści z życia policji”), publikowanego w latach 1965–1975. Ich głównym bohaterem był Martin Beck, oficer wydziału zabójstw policji w Sztokholmie. W powieściach tych para autorska Sjöwall i Wahlöö dawała też wyraz swoim skrajnie lewicowym przekonaniom politycznym, krytykując szwedzki socjaldemokratyczny model państwa.