Dal 1929 cominciò a lavorare nel dipartimento di chimica dell'Istituto Pasteur di Parigi, dapprima come assistente (dopo quattro anni passati in laboratorio), poi come direttore del Laboratorio di Chimica Terapeutica. Qui conobbe Filomena Nitti, figlia dell'ex presidente del consiglio antifascista Francesco Saverio Nitti e sorella del batteriologo Federico, la quale diventerà sua moglie, oltre che sua stretta collaboratrice. È in quegli anni che, insieme a Fourneau, Tréfouël e allo stesso Nitti, Bovet cominciò lo studio delle potenzialità dei sulfamidici dapprima su modelli sperimentali e poi in clinica; si dimostrò che l'azione antibatterica dei sulfamidici era attribuibile alla sola frazione sulfamidica della molecola di Prontosil rosso (un colorante sintetizzato in Germania da Klarer e Mietzsch, di cui Gerhard Domagk aveva dimostrato l'attività antibatterica). Nel 1944 Bovet scoprì la pirilamina, il primo farmaco antistaminico, antagonista competitivo dell'istamina. Nel 1947 iniziò la ricerca dei sostituti sintetici del curaro: il rilasciamento muscolare indotto da essi durante l'anestesia permette l'impiego di anestetici meno potenti durante gli interventi chirurgici.