En 1959 fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, junto al estadounidense Arthur Kornberg.

[3]​[4]​ Pronto desarrolló interés por la biología, y se centró en el estudio del metabolismo energético, con especial atención a las moléculas fosforiladas.

[5]​ Su profesor propuso a Ochoa y otro estudiante, José María García Valdecasas, trabajar en un método para aislar la creatinina presente en la orina.

Los dos estudiantes lograron su objetivo y también desarrollaron un método para medir pequeñas cantidades de creatinina muscular.

Durante este periodo, mejoró el citado método y al regresar a España escribió junto a Valdecasas un artículo científico describiendo su trabajo en el Journal of Biological Chemistry, que fue rápidamente aceptado, iniciando de esa manera su carrera en investigación en bioquímica.

Se dedicó a realizar investigaciones sobre farmacología y bioquímica que le valieron la medalla Bewberg en 1951.

Los descubridores llamaron «polinucleótido-fosforilasa» a la enzima, conocida luego como PNPasa, tratándose de una polirribonucleótido nucleotidil-transferasa.

En 1974 se trasladó como investigador distinguido al Instituto Roche de Biología Molecular en Nueva Jersey.

Su investigación fue polifacética, hizo numerosas e importantes contribuciones en distintos campos de la bioquímica y la biología molecular.

La Fundación Carmen y Severo Ochoa convoca anualmente el Premio Carmen y Severo Ochoa de Investigación en Biología Molecular para el personal de investigación que desarrolla su trabajo en España.