Nel 1956 venne nominata professoressa associata e nel 1958 professoressa ordinaria di zoologia presso la Washington University di St. Louis e, nonostante inizialmente volesse rimanere in quella città solo un anno, vi lavorò e vi insegnò fino al suo pensionamento, avvenuto nel 1977. Per circa trent'anni fece le ricerche sull'NGF e sul suo meccanismo d'azione, per le quali nel 1986 ricevette il Premio Nobel per la medicina insieme al biochimico Stanley Cohen. Nella motivazione del Premio si legge: «La scoperta dell'NGF all'inizio degli anni cinquanta è un esempio affascinante di come un osservatore acuto possa estrarre ipotesi valide da un apparente caos. In precedenza i neurobiologi non avevano idea di quali processi intervenissero nella corretta innervazione degli organi e tessuti dell'organismo». Il Nobel fu oggetto di contestazione nel 1994, in seguito alle dichiarazioni di Duilio Poggiolini, il quale ha insinuato che il premio fosse stato elargito a seguito dei 14 miliardi di lire versati dalla Fidia alla Fondazione Nobel., dichiarazioni che hanno suscitato l'immediata reazione della Fondazione stessa.