Nel 1931 concluse gli studi conseguendo la laurea in medicina: andò a lavorare presso l'università di Cincinnati, in Ohio, dove sarebbe rimasto 30 anni; dal 1946 venne nominato come capo della ricerca pediatrica. Qui, in qualità di assistente del dottor William Hallock Park (celebre per i suoi studi sul vaccino per la difterite), sviluppò ulteriormente il suo interesse per la ricerca medica, in modo particolare nel campo delle malattie infettive. Park divenne mentore del giovane e promettente Sabin, e gli trovò pure una borsa di studio quando il parente dentista si rifiutò di continuare a pagargli gli studi.