En dicha universidad, donde fue alumno así mismo de Hernández Guerra, Grande y Jiménez Díaz, Severo Ochoa obtuvo el doctorado en medicina en el año 1929. Se le concedieron diversas becas de la Junta de Ampliación de Estudios que le permitieron ir a Glasgow, Heidelberg, Berlín y Londres.

Severo Ochoa ocupó los cargos de auxiliar de fisiología (Madrid, 1931), jefe de sección de fisiología (Instituto de Investigaciones Médicas, 1935) y ayudante de investigación del Kaiser Wilhelm Institut (Heidelberg, 1936), donde colaboró con Meyerhof. Trabajó en el Laboratorio Biológico de la Marina Británica (Plymouth, 1937) y fue ayudante de bioquímica en la Universidad de Oxford (1938), donde llevó a cabo diversos estudios relativos a la vitamina B1.

Desde su llegada a Estados Unidos, en 1940, adonde se trasladó ante las escasas perspectivas de promoción existentes en el ámbito de la ciencia española de aquella época, Severo Ochoa trabajó en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington, y en 1941, estimulado por su esposa, inició una carrera de investigación independiente y aceptó una beca para desarrollar su labor como investigador asociado en la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York, de la que fue nombrado, en 1946, catedrático y director del departamento de farmacología.

Desde 1954, y hasta su jubilación, Ochoa fue profesor y jefe del departamento de bioquímica de la citada universidad. En 1971 fue designado presidente del Patronato del Instituto de Biología Molecular de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y tres años más tarde (1974) se integró en el Instituto Roche de Biología Molecular de Nuttley (Nueva Jersey).

En 1975 se inauguraron las primeras dependencias del Instituto de Biología Molecular en Canto Blanco (Madrid), con lo que se inició la reincorporación de Ochoa a la actividad científica en España. Tras su regreso definitivo (1985), Ochoa dirigió un grupo de investigación en el centro de biología molecular e ingresó, en 1987, en la Real Academia Nacional de Medicina.

A pesar de la importancia de sus contribuciones al estudio de la fotosíntesis, el metabolismo de las grasas y el estudio del llamado ciclo de Krebs, su principal logro fue el descubrimiento de la enzima fosforilasa polinucleótido, que interviene en la síntesis del ARN, gracias a la cual Ochoa logró sintetizar por primera vez (1955) esta molécula en el laboratorio a partir de nucleótidos (sus componentes elementales).

Por su descubrimiento, que llevó a cabo en el marco de sus investigaciones sobre las reacciones en los fosfatos y que dio a conocer ese mismo año de 1955, Severo Ochoa fue galardonado con el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1959, que compartió con su antiguo alumno (por aquel entonces profesor de bioquímica en la Universidad de Stanford) el estadounidense Arthur Kornberg.

Se le concedió también, en 1982, el premio Ramón y Cajal en su primera convocatoria, honor que compartió con su amigo el filósofo Xavier Zubiri. En 1986, a raíz de la muerte de su esposa, Carmen García Cobián, Ochoa decidió no volver a publicar ningún otro trabajo científico y poner fin así a su brillante carrera.