Si spostò poi a Chicago, dove iniziò un'importante collaborazione con il famoso chirurgo Guthrie, che lo incoraggiò continuamente a continuare i suoi lavori e a pubblicarne gli esperimenti. Ben presto la sua fama si diffuse a tal punto oltre oceano che Simon Flexner, direttore del neonato Rockefeller Institute di New York, lo invitò ufficialmente a lavorare nella nuovissima struttura nel reparto di chirurgia sperimentale, di cui qualche anno dopo diventerà direttore. Dopo aver collaborato per un altro anno a Chicago con Guthrie e in seguito alla pubblicazione di ulteriori articoli sul trapianto di organi in animali (soprattutto rene e tiroide) nel 1906 si stabilì a New York, anche se mai definitivamente, in quanto i ritorni in Francia saranno molto frequenti fino alla morte. Fin dai primi anni al Rockefeller il laboratorio di Carrel divenne un centro d'interesse per i visitatori, un vero e proprio punto d'incontro per i ricercatori più in vista dell'epoca; il clima era infatti completamente diverso rispetto a quello che si respirava in Francia e il giovane medico aveva a disposizione le migliori condizioni in cui operare, oltre che dei validi assistenti.