Többek között Párizsban, Berlinben is folytatott gyógyszertani, bakteriológiai, élettani tanulmányokat, és itthon is elvégezte az orvosi egyetemet. Dolgozott a Cambridge-i és a Szegedi Tudományegyetem, a Magyar Tudományos Akadémia levelező tagjának választotta, majd élettani-orvosi Nobel-díjat kapott a C-vitaminnal kapcsolatos kutatásaiért. Ezután az Akadémia rendes tagja lett.

1940–1941-ben Szegeden az izommozgás biokémiájával kezdett foglalkozni, és sok kollégája úgy véli, ezen a téren is megérdemelt volna egy Nobel-díjat, például a mechanikai izommozgás fehérjekémiai hátterének feltárásáért. A német megszálláskor Hitler személyesen ad parancsot az elfogatására, és a Gestapo mindent meg is tesz, hogy előkerítse. De a tudóst ekkor élete legnagyobb kalandja várja: angol kapcsolatai miatt a Kállay-kormány Isztambulba küldi, hogy előkészítse Magyarország háborúból való kiugrását. Segítségére siet Bay Zoltán, egy másik jelentős kortárs tudós, aki titkos rádióösszeköttetést teremt Budapest és London között. Szent-Györgyi tárgyalásai azonban nem járnak sikerrel, a kiugrási kísérlet meghiúsul, a nácik viszont megtudják, miben mesterkedett.

A háború után a Budapesti Tudományegyetemen az izom működésének biokémiáját kutatta, és felfedezte a fehérjét, amit aktinnak nevezett el. Sikerült bizonyítania, hogy az aktin egy másik fehérjével, a miozinnal együtt felel az izom összehúzódásáért, és hogy az összehúzódáshoz szükséges energia közvetlen forrása az adenozin-trifoszfát vegyület.

1947-ben a Boston melletti Woods Hole-ban telepedett le, ahol 1947 és 1962 között az Egyesült Államok Izomkutató Tudományos Intézete tengerbiológiai laboratóriumának igazgatója volt. Itt a sejtosztódást kiváltó tényezőkkel, és ennek nyomán a rák keletkezésével kapcsolatos kutatásokat irányította. A hatvanas években a Darthmouth Egyetem professzoraként dolgozott, a hetvenes években pedig síkra szállt a vietnami háború ellen, amit a The Crazy Ape (Az őrült majom) című könyvében le is írt – ez máig az egyik legerősebb pacifista fogalmazvány. 1986. október 22-én halt meg Woods Hole-ban.