Dopo aver vinto il premio Nobel, Baltimore riorganizzò il suo laboratorio, tornando a concentrarsi sull'immunologia e la virologia, con l'espressione genica delle immunoglobuline come area d'interesse principale. Nel 1973 venne onorato a professore di prestigio all'American Cancer Society of Microbiology, che portò ad un sostanziale supporto economico. Sempre nel 1973 diventò uno dei nuovi membri di facoltà nel riorganizzato MIT Center for Cancer, mostrando un creativo e fruttuoso periodo della sua carriera con quasi cinquanta pubblicazioni, inclusa la tesi sulla trascrittasi inversa, che avrebbe svoltato i paradigmi. Il MIT CRC aveva come leader Salvador E. Luria e presto ottenne la preminenza con un notevole gruppo di facoltà che comprendeva Baltimore, Philips Robbins, Herman Eisen, Philip Sharp, e Robert Weinberg, ognuno dei quali proseguì in una brillante carriera di ricerca. Baltimore fu onorato come Fellow of the American Academy of Arts and Sciences nel 1974. Tornò a New York City nel 1975, per un anno sabatico al Rockefeller University lavorando con Jim Darnell. Nel 1975, a 37 anni, Baltimore condivise il premio Nobel per la medicina con Howard Temin e Renato Dulbecco. La citazione legge,"per le loro scoperte riguardo l'interazione tra virus tumorali e il materiale genetico della cellula." A quel tempo, il più grande contributo di Baltimore alla virologia fu la sua scoperta della trascrittasi inversa (Rtase or RT) che è essenziale per la riproduzione dei retrovirus come l'HIV e fu scoperta indipendentemente, e circa nello stesso periodo, da Mizutani e Temin. In seguito, il suo laboratorio ed interessi intellettuali espansero entusiasmanti nuovi problemi come la patogenesi del Abelson murine leukemia virus (AMuLV), la differenziazione dei linfociti ed argomenti correlati di immunologia. Nel 1980, il suo gruppo isolò l'oncogene nell'AMuLV e mostrò che era un membro della nuova classe di protein-chinasi che usava l'amminoacido tirosina come fosfocettori. Questo tipo di attività enzimatica fu scoperta anche da Tony Hunter, che compì lavori estesi in quel campo. Baltimore continuò anche a perseguire fondamentali questioni sui virus RNA e, nel 1981, Baltimore e Vincent Racaniello, un socio post-laurea nel suo laboratorio, usarono la tecnologia di DNA ricombinante per generare un plasmide contenente il genoma di un poliovirus, un virus RNA animale. Il DNA del plasmide fu introdotto in cellule colte di mammifero e fu prodotto il poliovirus infettivo. Il clone infettivo, il DNA che contiene il genoma di un virus, è ora uno strumento standard usato in virologia.