1913 erhielt Adrian ein Forschungsstipendium für seine Arbeiten zur Funktionsweise der Nerven und er begann im gleichen Jahr ein Studium der Medizin. Seine klinischen Studien absolvierte er dabei am St Bartholomew’s Hospital in London und 1915 konnte er auch dieses Studium erfolgreich abschließen. Bis 1919, also während des gesamten Ersten Weltkrieges, arbeitete er klinisch im Bereich der Neurologie und behandelte vor allem Soldaten mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen. Danach kehrte er nach Cambridge zurück, wo er am physiologischen Institut wirkte und Kurse zum menschlichen Nervensystem gab. Seine Forschungsarbeiten fokussierten zu dieser Zeit auf die Grundlagenforschung der Sinnesphysiologie und der Erregungsleitung in den Nerven. Ab 1925 begann er seine Arbeiten an Sinnesorganen mit elektrischen Methoden, die ihm später den Nobelpreis einbringen sollten.
Am 14. Juni 1923 heiratete er Hester Agnes Pinsent, mit der er drei Kinder hatte. Dabei handelte es sich um seine Tochter Anne Pinsent Adrian, die spätere Ehefrau des Physiologen Richard Keynes (1919–2010), sowie die Zwillinge Richard Hume Adrian, 2. Baron Adrian, der selber Physiologe und wie sein Vater Mitglied der Royal Society wurde, sowie Jennet Adrian.
1929 wurde Adrian Foulerton-Professor der Royal Society und 1937 löste er Sir Joseph Barcroft als Professor für Physiologie an der Universität von Cambridge ab. Diesen Lehrstuhl behielt er bis 1951, danach wurde er zum Leiter des Trinity College bis 1965. Von 1955 bis 1957 war er außerdem Präsident des Leicester University College, ab 1958 Kanzler der Universität Leicester, von 1957 bis 1959 Vizekanzler der Universität Cambridge und von 1967 bis 1976 Kanzler der Universität Cambridge. Von 1950 bis 1955 wurde er Präsident der Royal Society und 1954 zudem der British Association for the Advancement of Science. 1934 wurde er zum Mitglied der Gelehrtenakademie Leopoldina gewählt.
Die frühesten Arbeiten Adrians zur Neurophysiologie erfolgten bereits in seinem Studium gemeinsam mit Keith Lucas, der 1916 bei einem Flugzeugabsturz ums Leben kam. Adrian und Lucas versuchten, die Nervenimpulse zu messen, scheiterten allerdings aufgrund der sehr ungenauen Messmethoden und den weitgehend ungeeigneten Nervenpräparaten.
Edgar Douglas Adrian forschte bereits früh an dem „Alles oder nichts“-Gesetz (ANG) in der Erregung von Nerven. Bis 1925[2] entwickelte er eine, auch die Entwicklung der Elektromyografie vorantreibenede Methode zur Untersuchung und Darstellung von sehr schwachen Aktionspotentialen an einzelnen Nerven und Muskelfasern. Dafür isolierte er einzelne Nervenfasern und leitete die in diesen gemessenen Elektroimpulse an Verstärker weiter, die in der Radioindustrie gebaut wurden. Mit diesem Aufbau konnte er die sehr schwachen Impulse, deren Spannung im Bereich von einigen Mikrovolt liegt und deren Impulse nur wenige Millisekunden andauern, messbar machen und zeigen, dass die Stärke eines Reizes durch die Frequenz der ausgelösten Aktionspotenziale kodiert wird (Impulsfrequenzkodierung). Er wies gemeinsam mit seinen Mitarbeitern nach, dass sich der Reiz als elektrische Welle entlang des Nervs bewegt und dabei das elektrische Potential der Faser verändert wurde. Zwischen den Einzelimpulsen wies er zudem eine kurze Ruhepause nach, die Refraktärzeit. Durch vergleichende Untersuchungen zeigte Adrian außerdem, dass sich die grundlegende Nervenfunktion von sensorischen und motorischen Nerven nicht unterscheidet.
Edgar Douglas Adrian veröffentlichte während seiner wissenschaftlichen Laufbahn eine Reihe von Publikationen in Fachzeitschriften. Außerdem schrieb er folgende Monographien:
The Basis of Sensation (1927)
The Mechanism of Nervous Action (1932)
Factors Determining Human Behaviour (1937, im Autorenteam).
Cornelus Borck: Adrian, Edgar Douglas. In: Werner E. Gerabek u. a. (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 8.
