Cheyne incontrò per la prima volta Lister nel 1872, quando assistette per caso ad una sua lezione circa la chimica degli anestetici e ne rimase affascinato, tanto da diventare un suo fidato discepolo. Dopo aver conseguito la laurea nel 1875 si recò presso Strasburgo e Vienna. Ispirato dagli studi di Robert Koch, tornato a Edimburgo iniziò alcuni esperimenti batteriologici. In seguito a questi vinse una borsa di studio, con cui poté finanziare le proprie ricerche, con l'aiuto di Lister, sui metodi per prevenire le infezioni post-operatorie, facendo uso del microscopio. Ebbe così inizio la lotta contro quelle particelle viventi minute che fluttuando nell'aria si posano su oggetti circostanti sotto forma di polvere. Durante la primavera del 1877 Lister gli comunicò di averlo scelto come suo assistente chirurgo presso il King's College Hospital di Londra. Ivi trovarono un ambiente ostile e un approccio scettico ai loro studi, tanto che le lezioni di Lister erano così poco frequentate che spesso Cheyne assistette come spettatore. Nel 1880 Cheyne ottenne l'incarico di chirurgo, ma non abbandonò per questo la promozione della diffusione dell'antisepsi. L'anno seguente vinse il Premio Jacksoniano per il suo saggio "Sulla storia, i principi, la pratica e i risultati sulla chirurgia antisettica". Vinse il primo Premio Lister per i suoi contributi alla scienza chirurgica nel 1924, stesso anno in cui pubblicò il memoriale su Lister. Tra i suoi interessi rientrarono le ricerche di Koch sulla tubercolina, di cui constatò l'efficacia nella diagnosi, ma non nella cura della tubercolosi, cosa che il suo collega Arthur Conan Doyle aveva anticipato.