W 1958 roku, po zdaniu egzaminu doktorskiego, przyjął ofertę pracy na University of Southern California w Los Angeles. Rok później zdecydował się na powrót do Genewy, ale przedtem odbył wizyty naukowe u Gunthera Stenta w University of California, Berkeley, Joshui Lederberga na Uniwersytecie Stanforda oraz Salvadora Lurii w MIT.
Werner Arber rozwinął pracę Salvadora Lurii, który opisał budowę bakteriofagów i ich zdolność do mutacji. Swoje badania Arber skoncentrował na działaniach enzymów, obecnych w bakteriach, zdolnych do modyfikowania DNA atakujących je wirusów. Wyniki prac przeprowadzonych wraz z doktorantką Daisy Dussoix, pozwoliły na opisanie enzymów restrykcyjnych oraz mechanizmu restrykcji-modyfikacji jako właściwości specyficznych dla danego szczepu bakterii. Praca habilitacyjna Arbera przedstawiona w 1962 roku na Uniwersytecie Genewskim również dotyczyła tej tematyki.
W 1970 roku Werner Arber przebywał jako visiting professor na Wydziale Biologii Molekularnej University of California, Berkeley. W 1971 roku powrócił do Szwajcarii i podjął pracę w Biozentrum utworzonym właśnie na Uniwersytecie w Bazylei.
W 1978 został, wraz z Amerykanami Danielem Nathansem i Hamiltonem Smithem, uhonorowany Nagrody Nobla z medycyny za odkrycie enzymów restrykcyjnych i ich zastosowanie w genetyce molekularnej.