Continuó en el Instituto tras su graduación, y en 1897 identificó la bacteria hoy conocida como Shigella dysenteriae, el agente causante de la disentería infecciosa.

Su descubrimiento le permitió desarrollar un suero eficaz para el tratamiento de la enfermedad, que estuvo listo tres años más tarde En el ínterin, Shiga había sido nombrado director del Instituto.

Aunque interrumpió brevemente sus funciones para trabajar con Paul Ehrlich en el Real Instituto Prusiano de Terapia Experimental de Berlín entre 1901 y 1903, donde diseñaron un tratamiento contra las tripanosomiasis — un grupo de enfermedades causadas por los protistas del género Trypanosoma, que incluyen la enfermedad del sueño y el mal de Chagas —, ocuparía ese cargo hasta 1920.

Su producción escrita fue amplia en esos años, incluyendo un tratado en dos tomos sobre bacteriología clínica que se convirtió rápidamente en uno de los textos canónicos sobre el tema.

Tras su retiro, en 1945, se trasladó a Sendai, donde escribió la biografía de Ehrlich y la suya propia.