Durante unos meses de 1903 estudió con Paul Ehrlich en Fráncfort, Alemania.

También en 1903, Dale asistió a la vivisección de un perro realizada por Ernest Starling y William Bayliss, en la que se le eliminó al perro el páncreas y después se le mató con un cuchillo, lo que en última instancia condujo a los acontecimientos del denominado Caso del perro marrón, un polémico asunto que suscitó un considerable escándalo relacionado con la crueldad innecesaria con los animales, que enfrentó a estamentos académicos con estudiantes, sociedades protectoras de animales y una buena parte de la sociedad victoriana.

Durante la Segunda Guerra Mundial sirvió en el Grupo Asesores Científicos del Consejo de Ministros.

En 1906 fue nombrado director del Wellcome Physiological Research Laboratories de Londres, y entre 1914 y 1943 ocupó un puesto directivo en el National Institute for Medical Research.

En 1936 fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, compartido con Otto Loewi, por sus estudios sobre excitación y transmisión química de los impulsos nerviosos.