Divenuto cittadino italiano, nel 1947, su invito dell'allora Direttore dell'Istituto Superiore di sanità (ISS) Domenico Marotta, si trasferì a Roma, fondando il "Laboratorio di Chimica Terapeutica" dell'ISS. Qui Bovet proseguì le ricerche iniziate a Ginevra sugli antagonisti dell'istamina e sui curari di sintesi, antagonisti di un altro neurotrasmettitore, l'acetilcolina. Per l'importanza delle sue ricerche gli venne conferito il premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia nel 1957.