La paternité de découverte de la PCR a été disputée. Un scientifique norvégien, Kjell Kleppe, a décrit le principe de cette méthode dès 1971. Mais ce n'est qu'avec le travail de Mullis que ce concept devient réalité. On peut lire l'analyse de l'anthropologue Paul Rabinow sur cette affaire.
Une autre controverse provient de son association avec Peter Duesberg, une personne qui nie l'origine virale du sida. Il juge frauduleuse l'utilisation de son procédé PCR dans la détermination de la charge virale. Il publie à ce titre un article dans le journal Genetica (voir bibliographie) dont le facteur d'impact est de 1, ce qui ne le classe pas parmi les journaux de référence.
Mullis a aussi exprimé des doutes quant à l'implication des CFC dans la destruction de l'ozone atmosphérique et remet en cause de façon générale les effets de l'Homme sur le réchauffement global.
Devenu connu du grand public américain au moment de l'affaire O. J. Simpson, sa vie personnelle est épluchée par les avocats de la défense . Ceux-ci parlent d'utilisation de substances illicites. Il ne témoigne pourtant pas à ce procès, la défense ayant estimé pouvoir se passer de son avis d'expert.
Dans son livre, Dancing Naked in the Mind Field (ISBN 0-679-77400-9), il relate plusieurs expériences personnelles, que les critiques pointent du doigt, comme par exemple son usage récréationnel du LSD ou son expérience de rencontre avec un raton laveur luminescent qui lui aurait dit « Bonsoir Docteur » durant une retraite dans une cabane dans les contrées sauvages et isolées du nord de la Californie.
Mullis a aussi écrit : « Je n'essaierai pas de publier un article scientifique sur ces choses, car je ne peux faire aucune expérience. Je ne peux pas faire apparaître de ratons laveurs luminescents. Je ne peux pas les acheter chez un fournisseur scientifique pour les étudier. Je ne peux me remettre à leur recherche. Mais je ne renie pas ce qui s'est passé. La science qualifie cette expérience d'anecdote, car elle s'est produite d'une manière impossible à reproduire. Mais c'est arrivé. » (traduction libre à partir de [5]).