Ritornato a Città del Capo, a partire dai primi anni sessanta Barnard cominciò le sperimentazioni sugli animali che gli permisero di realizzare, il 3 dicembre 1967, il primo trapianto di cuore nell'uomo. Barnard operò su un cinquantatreenne segnato da una gravissima cardiopatia. L'uomo sopravvisse per 18 giorni dopo il trapianto ma in seguito morì, non per un rigetto dell'organo, ma per una polmonite. Poche settimane dopo Barnard eseguì un nuovo trapianto di cuore su un altro uomo che sarebbe sopravvissuto addirittura due anni. Nel giro di poco tempo Barnard riscosse un successo planetario, diventando un vero e proprio eroe, facendo aumentare enormemente la richiesta di un cuore nuovo in tutto il mondo. Tuttavia, parallelamente all'euforia iniziarono a profilarsi i primi problemi: i tempi di attesa erano lunghissimi vista la scarsità di donatori adatti, e queste lunghe attese risultavano talvolta fatali. Per questo motivo, si iniziò a pensare al "cuore artificiale".