Obaj przenieśli się na Uniwersytet Johnsa Hopkinsa w Baltimore w stanie Maryland w 1941.
W latach 40. Thomas opracował doświadczalnie na zwierzętach metody chirurgiczne, wykorzystane do leczenia tzw. syndromu blue baby (dziś znany pod nazwą tetralogia Fallota). Thomas odtworzył wadę w psich sercach, a następnie przetestował swoją procedurę. Razem z Blalockiem oraz dr Helen Taussig był współautorem tzw. zespolenia Blalock-Taussig (jako czarnoskóry technik Thomas nie mógł liczyć na umieszczenie jego nazwiska w nazwie operacji), które przez zespolenie tętnicy podobojczykowej z tętnicą płucną umożliwiło lepsze utlenowanie krwi w wadach siniczych. Pierwszy raz operację na dziecku wykonano 24 listopada 1944 z Thomasem za plecami Blalocka, który instruował operatora.
Wśród technik opracowanych przez niego w latach 40. znajdowała się metoda wytworzenia sztucznego ubytku w przegrodzie przedsionków bez użycia aparatury do krążenia pozaustrojowego. Z jego doświadczeń skorzystali C. Rollins Hanlon i Alfred Blalock, kreując metodę procedury paliatywnej zwiększającej mieszanie się krwi na poziomie przedsionków (operacja Blalock-Hanlon) u chorych z przełożeniem wielkich naczyń. Pracował na stanowisku kierownika laboratoriów chirurgicznych na Uniwersytecie Hopkinsa przez 35 lat.