Leta 1931 je postal predavatelj fizologije na Univerzi v Madridu in leta 1934 napredoval še do vodje oddelka za fiziologijo na Medicinskem inštitutu v Madridu. V tem obdobju se je izpopolnjeval v Londonu, kjer je prvič prišel v stik z raziskavami na področju encimologije. Med letoma 1936 in 1941 je deloval v različnih laboratorijih v tujini, med drugim v Heidelbergu, Plymouthu in na Univerzi v Oxfordu. Tu so njegovo pozornost pritegnile encimske reakcije oksidativnepresnove, katerih raziskavam se je posvetil v ZDA; sprva je deloval na Univerzi Washingtona v St. Louisu, od leta 1942 pa na medicinski fakulteti Univerze v New Yorku. Motiva pogostih selitev sta bila tako iskanje najboljših pogojev za raziskave kot tudi težavne družbenopolitične razmere v Evropi pred izbruhom druge svetovne vojne. Na univerzi v New Yorku je predaval biokemijo in famakologijo, kasneje pa je postal tudi predsednik oddelka za biokemijo. Leta 1956 je pridobil ameriško državljanstvo in ostal na Univerzi v New Yorku do svoje upokojitve leta 1974.
Njegove raziskave encimskih procesov, biološke oksidacije in energetskega metabolizma so močno pripomogle k razumevanju kemičnih procesov v telesu. Njegovo najvidnejše odkritje je encimpolinukleotidna fosforilaza, za katerega so sprva mislili, da je odgovoren za biosintezo ribonukleinske kisline. Kasneje se je izkazalo, da ima v tem procesu zgolj pomožno vlogo, a je bil kasneje s pridom uporabljen v raziskavah, s katerimi so razvozlali genetski kod.
