Birx tornò a Walter Reed, dove dal 1989 al 1995 lavorò nel Dipartimento di Ricerca Retrovirale, prima come assistente capo e poi capo divisione. È stata direttrice di laboratorio per lo sviluppo di vaccini contro l'HIV-1 per un anno. Birx è diventata direttrice del Programma di Ricerca Militare sull'HIV degli Stati Uniti presso il Walter Reed Army Institute of Research, incarico che ha ricoperto per nove anni, dal 1996 al 2005. In quella posizione, Birx ha condotto la sperimentazione clinica sul vaccino contro l'HIV denominato RV 144, la prima prova a sostegno di qualsiasi vaccino efficace nel ridurre il rischio di contrarre l'HIV. 