Odegrał kluczową rolę w odkryciu chemicznego przekazywania impulsów nerwowych. Badał działanie acetylocholiny i wykazał, że odgrywa ona kluczową rolę w przekazywaniu impulsów nerwowych. Stworzył podział układu nerwowego na współczulny i przywspółczulny.
W 1936 roku, wraz z Otto Loewim, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii za odkrycie przenoszenia impulsów nerwowych.
Jego prace stały się fundamentem współczesnej neurofizjologii i farmakologii.