Nel 1933 cominciò a lavorare da volontario nel laboratorio di microbiologia dell'Istituto Pasteur, diretto dall'italiano Alessandro Salimbeni, dove si dedicò allo studio degli streptococchi. Nel 1935 conseguì con lode il dottorato con la tesi "La vaccinothérapie dans l'asthme bronchique" ("La vaccinoterapia nell'asma bronchiale"). Poco dopo, ottenuta una borsa biennale all'Istituto Pasteur, entrò nel "Laboratoire de chimie thérapeutique" diretto da Ernest Fourneau; iniziò allora la collaborazione con Daniel Bovet (il futuro Premio Nobel, che nel 1939 diverrà cognato di Federico per aver sposato la sorella Filomena) e Jacques Tréfouël (più tardi direttore dell'Istituto Pasteur) nello studio dei Sulfamidici, di cui svelarono l'azione antibatterica. Venne dimostrato che l'azione antibatterica del Prontosil rosso era in realtà dovuta alla molecola del colorante "para amino benzensulfonamide" (o "sulfamide"): da qui lo sviluppo dei sulfamidici, primi efficaci agenti anti-infettivi. Nel 1938 sposò Giuliana Cianca, figlia dell'ex direttore del "Mondo" Alberto Cianca, esule anch’egli in Francia. Alla vigilia dello scoppio della Seconda guerra mondiale, nell'estate del 1939, ottenne la cittadinanza francese. Nel 1940 venne nominato direttore del laboratorio di batteriologia del Laboratorio di chimica terapeutica del Pasteur. Iniziò gli studi sulla penicillina e sul "Mycobacterium tuberculosis". Nel frattempo collaborò attivamente con la Resistenza francese di cui organizzò la fornitura di farmaci; per tale attività, nel 1945 ottenne una medaglia al valore. Ottenne anche la Legion d'Onore per i suoi meriti scientifici.