Posteriormente pasó a ser asistente de investigación en el laboratorio de Theodor Svedberg en 1925 y se doctoró en 1930 sobre el método de la fase móvil en su estudio de electroforesis aplicada a proteínas, para lo que utilizó un aparato conocido como tubo de Tiselius.
A su retorno a Upsala reanudó su interés en las proteínas, y se interesó en el uso de métodos físicos en los problemas bioquímicos, lo cual le condujo a desarrollar un método mejorado de análisis electroforético que fue mejorando en los años posteriores.
En 1948 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre la naturaleza del plasma sanguíneo.
Tiselius tomó parte activa en la reorganización de la investigación científica en Suecia en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, y fue presidente de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada entre 1951 y 1955, vicepresidente de la Fundación Nobel en 1947 y posteriormente presidente de ésta en 1960.
En honor suyo se nombró el cráter Tiselius sobre la superficie de la Luna.