Nel 1894, durante un'epidemia di peste ad Hong Kong, isola il batterio colpevole della malattia, "Pasteurella pestis", così chiamato in onore di Louis Pasteur. Intanto però il medico svizzero Alexandre John-Émile Yersin lo stesso anno ottiene indipendentemente gli stessi risultati, ma è solo in onore di quest'ultimo che il batterio della peste viene ribattezzato "Yersinia pestis". Dal 1914 fino alla sua morte è stato a capo dell'Istituto Kitasato, fondato da lui stesso.