W latach 1942–1953 Kornberg kierował pracami badawczymi w Amerykańskim Narodowym Instytucie Zdrowia, dotyczyły one enzymów oraz procesu metabolizmu. Dzięki jego pomocy udało się też odkryć reakcje chemiczne zachodzące w komórkach, w wyniku których dochodzi do powstania dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD) oraz nukleotydu dwufosfopirydynowego (DPN). Przyczynił się także do poznania procesu tworzenia koenzymów istotnych przy przenoszeniu wodoru w biologicznych procesach utleniania i redukcji.
Pracował także w latach 1953–1959 jako dyrektor instytutu mikrobiologii na uniwersytetach w Waszyngtonie i Saint Louis. W dalszym ciągu kontynuował swoje badania dotyczące sposobu wytwarzania przez organizmy żywe nukleotydów. Szczególnym obszarem jego zainteresowań był problem dotyczący wiązań łączących nukleotydy i formowania w ten sposób cząsteczek DNA. Rozwiązał tę kwestię poprzez dodanie specjalnie oznakowanych nukleotydów (poprzez potraktowanie ich radioaktywnym izotopem azotu) do wyciągu z kultur zwykłych bakterii Escherichia coli. Model tej replikacji jest nazywany replikacją semikonserwatywną. W trakcie tego doświadczenia w 1956 roku znalazł dowody na przebieganie reakcji polimeryzacji z udziałem enzymów jako katalizatorów.