Po krótkim pobycie w Indiach ponownie przyjechał do Anglii i podjął pracę na University of Cambridge. Spędził na nim dwa lata (1950-1952), prowadząc badania dotyczące białek i kwasów nukleinowych. Współpracował wówczas z oraz Alexandrem Toddem. W 1952 r. wyjechał do Kanady, gdzie pracował na University of British Columbia, do 1960 roku. W latach 1960–1970 pracował na University of Wisconsin-Madison, a od 1971 r. na Massachusetts Institute of Technology. W 1966 roku uzyskał obywatelstwo amerykańskie.
Badania prowadzone przez Har Gobind Khorana w latach 60. potwierdziły ustalenia Marshalla Nirenberga, który postulował, że sposób, w jaki cztery różne typy nukleotydów są rozmieszczone na spiralnych „schodach” cząsteczki DNA, determinuje skład chemiczny i funkcję nowej komórki. 64 możliwe kombinacje nukleotydów odczytywane są wzdłuż nici DNA co prowadzi do wytworzenia aminokwasów potrzebnych do budowy określonych białek. Khorana uzupełnił badania Nirenberga, wskazując, które szeregowe kombinacje nukleotydów tworzą konkretne aminokwasy. Udowodnił również, że kod jest zawsze przekazywany do komórki w grupach po trzy nukleotydy, zwanych kodonami.