Dari 1941 hingga 1942, Kornberg berkesempatan praktik kerja di Strong Memorial Hospital di Rochester, New York. Setelah menyelesaikan pelatihan dokter ia bergabung di dinas militer sebagai letnan di United States Coast Guard, menjabat sebagai dokter kapal pada 1942. Rolla Dyer, direktur Institut Kesehatan Nasional (NIH), telah mencatat dalam karyanya mengenai sindrom Gilbert dan mengundangnya untuk bergabung dengan tim peneliti di Laboratorium Gizi NIH. Antara 1942-1945, karya Kornberg ialah pemberian diet terspesialisasi pada tikus untuk menemukan vitamin baru.
Bagi Kornberg ini membosankan dan ia malah tertarik pada enzim. Ia pindah ke laboratorium dr. Severo Ochoa di Universitas New York pada 1946, dan mengambil kursus musim semi di Universitas Columbia untuk menjembatani pengetahuannya pada kimia organik dan fisika saat belajar teknik pemurnian enzim. Ia menjadi ketua Seksi Enzim dan Metabolisme di NIH antara 1947-1953. Di sana ia bekerja pada pengertian produksi adenosin trifosfat dari NAD dan NADP, yang lalu ia lanjutkan dengan meneliti bagaimana DNA dibangun dari molekul yang sederhana.
Dari 1962 hingga 1970, pada pertengahan karyanya pada sintesis DNA, Kornberg mencurahkan separuh usaha penelitiannya untuk memastikan bagaimana asam deoksiribonukleat tersimpan pada spora, mekanisme replikasi apa yang terlibat, dan bagaimana spora-spora itu melahirkan sel-sel baru. Inilah daerah sains yang kompleks, dan meski beberapa proses dibuat, akhirnya Kornberg meninggalkan penelitian ini.
Pada tahun 2005, Kornberg masih mempertahankan riset laboratorium aktif di Universitas Stanford, dan secara berkala menerbitkan karya ilmiah. Selama beberapa tahun, fokus penelitiannya ialah metabolismepolifosfat anorganik.