Il suo lavoro, condotto con il fratello Federico e il marito Daniel Bovet, si ispirava a quello del premio Nobel Paul Ehrlich, padre della chemioterapia e a quei "proiettili magici": molecole in grado di colpire selettivamente il bersaglio, come un organismo patogeno, e ucciderlo, senza intaccare l'organismo ospite. I tre studiarono i sulfamidici, potenti chemioterapici antibatterici: nel corso della storia i sulfamidici saranno più volte preferiti alle penicilline, e viceversa, come antibiotici. Insieme al marito Daniel Bovet e al fratello Federico, Filomena Nitti scoprì che l'adrenalina, l'acetilcolina e l'istamina, tre ammine biogene, presentano analogie nella struttura chimica. I tre scoprirono che l'istamina è la principale responsabile delle reazioni allergiche e nel 1944 misero a punto la pirilamina, antagonista competitivo dell'istamina: in pratica il primo farmaco antistaminico.