北里の紹介状を頼りにフレクスナーのもとでペンシルベニア大学医学部での助手の職を得て、蛇毒の研究というテーマを与えられ、研究の成果を論文にまとめる。1901年(明治34年)ロックフェラー医学研究所が設立される。この研究所の設立にあたっては、フレクスナーが組織構成を任されていた。キューバの眼科医カルロス・フィンレーとアメリカの軍医、ウォルター・リード(英語版)大佐が人体実験により黄熱が蚊により伝染することを突き止める。黄熱患者の血清を細菌濾過器に通過させることにより、黄熱病病原体が血液中にあり、それが濾過性のウイルスであることを証明する(野口は後年の南米での黄熱研究でこの証明を受け入れていない)。フレクスナーの指示によりデンマーク、コペンハーゲンの血清研究所に留学。血清学の研究を続け、トーバル・マッセン(英語版)との連名でいくつかの論文を執筆する。アメリカに戻り、ロックフェラー医学研究所に移籍。1905年(明治38年)血脇が婚約持参金300円を斉藤家に返済し、斉藤ます子との婚約を破棄。「病原性梅毒スピロヘータの純粋培養に成功」と発表し、世界の医学界に名を知られることとなる(ただし継代培養された野口株は病原性を失い、また病原性梅毒スピロヘータの純粋培養は現在でも追試に成功した者がいない。論文を提出し、医学博士の学位を授与される[12]。34歳で、同じ年のアメリカ人女性のメリー・ダージスと結婚する。患者の脳病理組織において確認し、この病気と梅毒との関連を明らかにした。これは、生理疾患と精神疾患の同質性を初めて示したものであった。病原体特定は否定されている)。東京大学より理学博士の学位を授与される[13]。この年の7月にロックフェラー医学研究所正員に昇進する。この年のノーベル医学賞候補となった。この年に撮影されたと思われるオートクローム技術を使用した野口の写真が残っているが、これが日本人を写した初のカラー写真と考えられている[14]。英世は年老いた母との再会を果たすため、15年振りに日本に帰国する。帝国学士院より恩賜賞を授けられる[15]。この際にワイル病スピロヘータを発見した稲田龍吉・井戸泰の研究および伊東徹太のワイル病スピロヘータの純粋培養に関する研究を視察している。この帰国の時、恩師の小林栄と血脇守之助、古くからの親友の八子弥壽平には懐中時計を贈っている。11月4日に日本を離れる。以後、英世は日本に帰国していない。2度目のノーベル医学賞候補となった。野口はロックフェラー財団の意向を受けて、まだワクチンのなかった黄熱病の病原体発見のため、当時、黄熱病が大流行していたエクアドルへ派遣される。その頃に開通したばかりのパナマ運河周辺で、船員が黄熱病に感染する恐れがあったため、事態は急を要していた。野口に黄熱の臨床経験はなかったが、患者の症状がワイル病に酷似していたことから試験的にワイル病病原体培養法を適用し、9日後(日数については諸説あり)には病原体を特定することに成功し、これをレプトスピラ・イクテロイデスと命名。この細菌をもとに野口ワクチンを開発した(ただし、1901年のウォルター・リードの研究結果との乖離から、当時より野口説に対する反論があり、特にワイル病との混同が指摘されていた。後年アフリカの研究で野口は黄熱病原がリードの主張同様濾過性であることを認めている)。この成果により、野口はエクアドル軍の名誉大佐に任命されている。この年、英世の母のシカがスペインかぜにより11月10日に65歳で死去している。黄熱病の研究と撲滅のための医師団としてロックフェラー医学研究所からメキシコへ派遣。国立サン・マルコス大学医学部より名誉博士号授与。リマ市滞在4日間にオロヤ熱およびペルー疣という2つの風土病の情報を入手。この年、3度目のノーベル医学賞の候補に名前が挙がった。英世の父・佐代助が72歳で死去した。日本の帝国学士院会員となる。ここでキューバの研究医アグラモンテから黄熱病病原体とされているイクテロイデスはワイル病病原体と菌株が違うのみではないかと指摘を受ける。会議後アグラモンテを招き、自らの研究結果を見せて説得を試みる。アフリカ・セネガルにて黄熱病が発生。イギリス、フランスの研究施設より野口ワクチンが効果を見せずイクテロイデスが発見されない旨の報告を受ける。ロックフェラー国際衛生局がナイジェリアのラゴスに黄熱病対策組織として医学研究所本部を設置し、野口の部下であるイギリス出身の医学者エイドリアン・ストークス博士を派遣するも同様の研究結果となる。1926年(大正15年)ペルー疣とオロヤ熱が同一病原であることは1885年にペルーの医学生、ダニエル・アルシデス・カリオンが証明していたが、アメリカの学会の一部で否定されていた。これを病原であるバルトネージャ菌分離と猿による実験で証明し、論争に終止符を打つ。らが、黄熱ウイルスの単離に成功。黄熱病についての野口説(イクテロイデスが病原であること)を反証する。1927年(昭和2年)トラコーマ病原体を発表する(ただし、後年クラミジアが発見され否定される)。ロックフェラー医学研究所ラゴス本部で黄熱病研究を継続していたストークス博士が黄熱病で9月に死去した。アフリカへ黄熱病研究のため出張。ウイリアム・A・ヤング博士が(ロックフェラーの組織外の)研究施設を貸与し研究を開始。現地で黄熱病が収束し、ラゴス本部からは病原体を含む血液を提供されず、病原体が入手できないため研究が進められない状況が続く。ウエンチ村で黄熱病らしき疫病が発生したとの報告を受け、血液を採取に行く。野口自身が軽い黄熱病と診断する症状を発症し、入院(ただし、別の医師にはアメーバ赤痢と診断されており、この時の症状は黄熱病ではなかったと考えられる)。回復し退院、研究を再開する。3月末、フレクスナー宛にイクテロイデスとは異なる黄熱病病原体をほぼ特定できた旨の電報を出す。秘書への手紙に濾過性微生物(ウイルス)が病原であると言及しそれまでの自説を否定。フレクスナー宛にアメリカで研究を継続したいため、5月19日にアクラを発つと打電。ラゴスのロックフェラー研究所本部に行った際、体調が悪化する。黄熱病と診断され、アクラのリッジ病院に入院する。見舞いに来たヤング博士に「君は大丈夫か?」と尋ねた後に、野口は(終生免疫が続くはずの黄熱病に再度罹患したのを不可思議に思いながら)「どうも私には分からない」と発言。この言葉が最後の言葉とされている。回復し、空腹を訴える程食欲も戻る。その旨はフレクスナーにも打電される。