Sus descubrimientos se orientan hacia nuevos tratamientos para los tipos de cáncer más letales en humanos.

Dirige el consejo científico asesor del Cancer Research Institute (CRI).

En 2018, ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina junto con Tasuku Honjo.

[9]​ En 2004, se trasladó al Memorial Sloan-Kettering Cancer Center (MSKCC) de Nueva York para convertirse en director del Ludwig Center for Cancer Immunotherapy y presidente del programa de inmunología, así como de la cátedra Koch de estudios inmunológicos e inmunólogo adjunto del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center.

[25]​ Junto con el inmunologo japonés Tasuku Honjo, recibieron en conjunto el Premio Nobel en Fisiología/Medicina en el año 2018, por sus descubrimiento del tratamiento del cánceer mediante la inhibición negativa de la regulación inmune.

Fue sujeto en el documental de 2019 Jim Allison: Descubrimiento" dirigido por Bill Haney.