Tornato a Vienna, Landsteiner riprese i suoi studi di medicina presso l'Ospedale Generale di Vienna. Nel 1896 divenne assistente sotto Max von Gruber presso l'Istituto Igiene a Vienna. Anche in questo momento si interessò dei meccanismi di immunità e della natura degli anticorpi. Nel 1900 scrisse un lavoro sull'agglutinazione del sangue: la reazione immunologica tra antigene e anticorpo, che si verifica quando il sangue di due umani viene a contatto. Ossia il fenomeno per cui anticorpi specifici presenti nel sangue si dirigono contro gli antigeni di membrana delle cellule: quelle con la stessa carica elettrica si respingono vicendevolmente mentre l'anticorpo, neutralizzando tali cariche, favorisce la formazione di ammassi cellulari, agendo come un "ponte" tra due elementi cellulari. All'epoca si pensava che questo fenomeno fosse una malattia: contrariamente a questa convinzione, Landsteiner spiegò che si trattava invece di una normale reazione dovuta alle caratteristiche specifiche e individuali del sangue umano. È da questo principio di incompatibilità tra i diversi tipi di sangue che prese spunto lo studio che gli sarebbe valso il Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina, vinto nel 1930.