Mancando i mezzi necessari per proseguire le sue ricerche ad Oxford, nel 1948 venne reclutato con un contratto speciale dall'allora direttore dell'Istituto Superiore di sanità (ISS) Domenico Marotta, e messo a capo del "Centro Internazionale di Chimica Microbiologica" presso l'ISS. Presso l'ISS gestì l'impianto pilota per lo studio delle fermentazioni e la fabbrica di penicillina interna all'istituto, inaugurata nel 1952. A Roma Chain si interessò da un lato nella ricerca biochimica, puntando sul metabolismo dei carboidrati e sul meccanismo di azione dell'insulina, e dall'altro sullo sviluppo delle tecniche di fermentazione per la produzione di antibiotici, soprattutto per la produzione della penicillina.