W 1949 roku zdobył zatrudnienie w niedawno założonym Narodowym Instytucie Genetyki w Mishima. Pracował tam do końca życia, oprócz kilku lat spędzonych za granicą. W początkowym okresie pobytu w Mishima Kimura skoncentrował się na stochastycznej teorii genetyki populacyjnej. Zaangażował się w debatę między A. Fisherem i S. Wrightem dotyczącą znaczenia przypadkowego dryfu genetycznego w ewolucji. Fisher utrzymywał, że dryf genetyczny nie jest istotny w naturalnych populacjach, ponieważ wielkość populacji jest zwykle bardzo wysoka i ważniejszym czynnikiem są fluktuacje współczynnika selekcji naturalnej. Kimura nie zgodził się hipotezą Fishera i podał własne wyjaśnienie relacji między skutkami działania dryfu genetycznego i doboru naturalnego. Napisał na ten temat artykuł, który został opublikowany w 1954 roku w czaspismie Genetics. Był to jego pierwszy artykuł opublikowany na Zachodzie.
Od 1953 roku pracował w Stanach Zjednoczonych pod kierunkiem aktywnego badacza w dziedzinie genetyki ilościowej J. L. Lusha. Po niedługim czasie przeniósł się na Uniwersytet Wisconsin, żeby pracować pod kierunkiem J. Crowa.