Welch należał do pionierów nauczania bakteriologii w Stanach Zjednoczonych. Jego wkład w rozwój tej dziedziny polegał przede wszystkim na upowszechnianiu wiedzy i organizacji laboratoriów. Prowadził też własne badania między innymi nad izolowaniem maczugowca błonicy, zjadliwością różnych szczepów dwoinki zapalenia płuc i durem brzusznym. Wraz z Halstedem Welch przeprowadził serię eksperymentów, które dowiodły, iż przyczyną większości zakażeń ran są paciorkowce i gronkowce oraz że do zakażeń ran przyczyniają się sami chirurdzy umieszczając w nich ciała obce (dreny, szwy itp.) i nadmiernie uszkadzając tkanki podczas zabiegów. Na podstawie tych badań opracował on zalecenia dla chirurgów dotyczące mycia rąk przed zabiegami oraz sterylizacji narzędzi i materiałów chirurgicznych. W 1891 opisał jako pierwszy zakażenie spowodowane przez laseczkę zgorzeli gazowej, a rok później wyizolował tę bakterię. Przez długi czas nosiła ona upamiętniające Welcha nazwy Bacillus welchii i Clostridium welchii. W jednej ze swych prac z 1894 Welch antycypował odkrycie wirusów zauważając, że szereg chorób, takich jak między innymi żółta gorączka, świnka czy ospa wietrzna, wywoływanych musi być przez mikroorganizmy inne niż bakterie. W pracy badawczej skupiał się raczej na oddziaływaniu między bakteriami, a organizmem niż nad samymi mikroorganizmami.