Negli anni successivi, Starzl lavorò per risolvere il problema della mancata coagulazione del sangue e del rigetto dei tessuti. Nella primavera del 1964 diede inizio alla più grande ricerca sulla tipizzazione tissutale che fosse mai stata fatta. Già dal 1960 il medico Paul Terasaki della University of California, Los Angeles aveva sviluppato un metodo per la rilevazione degli antigeni dei tessuti, gli agenti responsabili del rigetto; questo diede il via alla ricerca nel campo dell'istocompatibilità umana: tali studi permisero di abbinare donatori e riceventi, in maniera tale che i tessuti risultassero compatibili tra loro. Starzl, inoltre, rivolse la sua attenzione allo sviluppo di farmaci che bloccassero il rigetto del nuovo organo da parte del sistema immunitario: oltre alla combinazione di Imuran-Prednisone, egli sperimentò una nuova sostanza chiamata siero antilinfocitario (ALG) che, sebbene fosse utilissimo nel curare il rigetto, non poteva essere usato per lungo tempo, perché aveva come effetto collaterale una maggiore incidenza di infezioni virali, comprese quelle associate alla formazione di un nuovo cancro..