Investigà els fenòmens elèctrics que es presenten al cor. El 1903 dissenyà i construí un instrument que permetia d’enregistrar, per primera vegada, electrocardiogrames amb precisió i claredat. El 1924 li fou concedit el premi Nobel de medicina i fisiologia.
Les seves primeres investigacions versaren sobre la tuberculosi i la resistència a les malalties d’origen bacterià. El 1946 establí un laboratori a l’hospital infantil de Boston, on, en col·laboració amb F.C. Robbins i T.H. Weller, aconseguí d’obtenir virus de poliomielitis en un cultiu de teixits humans no nerviosos, treball pel qual foren guardonats el 1954 amb el premi Nobel de medicina. A la fi del decenni dels cinquanta, Enders, juntament amb d’altres, produí la primera vacuna contra el virus del xarampió.
Inicià la seva tasca d’investigació amb diversos treballs sobre la circulació sanguínia. Traslladà el seu interès al camp de la neurofisiologia i estudià els fenòmens que tenen lloc a les fibres nervioses quan són estimulades per sota del llindar d’excitació, i també les diferenciacions funcionals al sistema nerviós central. Per aquests darrers treballs el 1944 compartí amb H.S.Gasser el premi Nobel de medicina.
El 1933 fou el primer, juntament amb Goldblat, que aïllà substàncies lipídiques àcides a partir del plasma seminal humà, les quals anomenà prostaglandines. Especialitzat en neurofisiologia, els seus treballs conduïren a la classificació del paper transmissor que fan diverses substàncies químiques en el pas de l’influx nerviós a través de les sinapsis. Per aquests treballs el 1970 compartí el premi Nobel de medicina amb Julius Axelrod i sir Bernard Katz.
Donà nom al microscopi quan era encara un instrument poc conegut. Metge del papa Urbà VIII, fou un dels fundadors de l'Accademia dei Lincei.
Estudià medicina a Barcelona, on es llicencià el 1873. Es dedicà també a la pintura, a Tortosa, on fou condeixeble de Francesc Gimeno, amb el qual anà sovint a pintar paisatges. Interessat per la bacteriologia, la coneixença amb l’astrònom Josep Joaquim Landerer vers el 1880, que el familiaritzà amb els aparells òptics, tingué una gran importància en el seu decantament per aquest camp.
Interessat principalment per l’entomologia i la botànica, publicà alguns treballs sobre cicindèlids, entre els quals es destaca Assaig monogràfic sobre les cicindeles catalanes (1911), i col·laborà amb Joan Cadevall i Diars, especialment en l’estudi de la flora de la part oriental dels Pirineus catalans. Fou soci fundador i, el 1904, president de la Institució Catalana d’Història Natural.