Chính trong thời gian học y học ở Harvard, ông đã quan tâm nghiên cứu việc cấy ghép tế bào gốc tạo huyết (thường gọi là cấy ghép tủy xương) để chữa trị chứng bệnh ung thư bạch cầu.
Năm 1955, theo lời mời của tiến sĩ Joseph Ferrebee, Thomas sang làm việc ở "Bệnh viện Mary Imogene Basset" tại Cooperstown, New York, trực thuộc Đại học Columbia. Tại đây họ lập tức bắt đầu thực hiện việc cấy ghép tủy xương cho các bệnh nhân và cho chó, một động vật thích hợp cho chăm sóc lâm sàng tương tự như người.
Khi còn là sinh viên chưa tốt nghiệp, Thomas đã gặp và kết hôn với Dorothy (Dottie) Martin – lúc đó đang học ngành báo chí. Sau khi kết hôn Dottie bỏ học nghề báo và học làm kỹ thuật viên phòng thí nghiệm để trợ giúp chồng trong việc nghiên cứu, từ đó hai vợ chồng làm việc mật thiết với nhau. Họ có ba người con.
