Descobrí (ensems amb Wilfarth) que les papilionàcies fixen el nitrogen atmosfèric mercès als nòduls de les seves arrels i demostrà la proporcionalitat entre nodulació i fixació de nitrogen.
El 1915, estudiant cultius de bacil disentèrics a l’Institut Pasteur de París, descobrí un agent infecciós filtrable que destruïa els bacteris, l’anomenà bacteriòfag i l’identificà com un virus. La seva memòria, publicada el 1917, commocionà els microbiòlegs i obrí una polèmica sobre la natura del bacteriòfag que no s’acabà fins que el microscopi electrònic en permeté la visualització.
Fou el primer a observar la fusió dels nuclis de l’òvul i de l’espermatozoide després de la fecundació (cariogàmia) i conclogué (1875) que la fecundació consistia en la fusió de dos nuclis cel·lulars sexualment diferenciats.
Conjuntament amb la seva escola estudià, a partir del 1910, la conducció nerviosa, la transmissió neuromuscular i els fenòmens fisiològics, bioquímics i biofísics que s’hi relacionen. El 1922 rebé el premi Nobel de medicina i fisiologia (compartit amb Otto Meyerhof) per les seves aportacions al coneixement de l’activitat muscular.
Autor, juntament amb John Murray, de The Depths of the Oceans (1912), una obra clàssica de l’oceanografia.
Graduat a Cambridge (1936), hi desenvolupà la major part de les seves recerques. Féu nombrosos treballs sobre la fisiologia nerviosa fonamental. El 1939 perfeccionà les tècniques per a la mesura directa de potencials cel·lulars (cèl·lules nervioses gegantines). El 1963 fou distingit, amb Eccles i Huxley, amb el premi Nobel de medicina i fisiologia. En 1970-88 estudià el mecanisme de fotorecepció a la retina. Fou president de la Royal Society (1970-75).
Compartí el premi Nobel de medicina i fisiologia del 1968 amb H.G.Khorana i M.W.Nirenberg, pel descobriment de l’ARN transferidor de l’alanina, que isolà i de la qual desxifrà la seqüència de bases. Estudià també els factors de control de la divisió cel·lular en els mamífers.