স্নাতক শেষ করার পর হোলি কর্নেলে যোগ দান করেন। তিনি ১৯৪৮ সালে জৈব রসায়নের সহকারী অধ্যাপক হন এবং ১৯৬২ সালে প্রাণরসায়ন বিভাগের অধ্যাপক হিসাবে নিযুক্ত হন। তিনি ক্যালিফোর্নিয়া ইনস্টিটিউট অব টেকনোলজিতে জেমস এফ. বোনারের সাথে এক বছরের অবকাশকালীন সময়ে (১৯৫৫-১৯৫৬) অধ্যয়ন করার পর আরএনএ নিয়ে গবেষণা শুরু করেন।
আরএনএ সম্পর্কিত গবেষণায় হোলি প্রথমে ট্রান্সফার আরএনএ (টিআরএনএ) কে বিচ্ছিন্ন করার উপর মনোযোগ নিবদ্ধ করেন এবং পরে অ্যালিনাইন টিআরএন-এর অনুক্রম এবং গঠন নির্ধারণের উপর, অণু যা অ্যামিনো অ্যাসিড অ্যালানাইনকে প্রোটিনের সাথে একিভূত করে। হোলির গবেষকদের দলটি টিআরএনএর অণুকে টুকরো টুকরো করার জন্য দুটি রিবোনুক্লেজ ব্যবহার করে টিআরএনএর গঠন নির্ধারণ করেছিল। প্রতিটি এনজাইম নির্দিষ্ট নিউক্লিওটাইডের জন্য অবস্থান বিন্দুতে অণুকে বিভক্ত করে। দুটি পৃথক এনজাইম দ্বারা "বিস্মিত" করার প্রক্রিয়ার মাধ্যমে টুকরোর গঠন বিভক্ত করা হয় এরপর উভয় এনজাইম বিভক্ত টুকরোর তুলনা করে দলটি শেষ পর্যন্ত অণুর পুরো কাঠামোটি নির্ধারণ করে।
গঠনটি ১৯৬৪ সালে সম্পন্ন হয়[৪][৫] এবং মূল আবিষ্কার ছিল আরএনএ বার্তাবাহক থেকে প্রোটিনের সংশ্লেষণের ব্যাখ্যা করা। এটি এখন পর্যন্ত নিরূপিত প্রথম রিবোনোক্লিক অ্যাসিডের নিউক্লিওটাইড অনুক্রম। এই আবিষ্কারের জন্য ১৯৬৮ সালে হোলিকে শারীরবৃত্ত বা চিকিৎসাবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার দেওয়া হয়[৬] এবং প্রোটিন সংশ্লেষণ বোঝার ক্ষেত্রে অবদানের জন্য হর গোবিন্দ খোরানা ও মার্শাল ওয়ারেন নিরেনবার্গকেও এ বছর এই পুরস্কার দেওয়া হয়।
হোলির দলের পদ্ধতি ব্যবহার করে অন্যান্য বিজ্ঞানীরা অন্যান্য টিআরএন-এর কাঠামো নির্ধারণ করেছেন। কয়েক বছর পরে পদ্ধতিটি বিভিন্ন ব্যাকটিরিয়া, উদ্ভিদ এবং মানব ভাইরাসে নিউক্লিওটাইডের অনুক্রম চিহ্নিত করতে সহায়তা করে।
১৯৬৮ সালে হোলি ক্যালিফোর্নিয়ার লা জোলায় সাল্ক ইনস্টিটিউট ফর বায়োলজিক্যাল স্টাডিজের আবাসিক ফেলো হন।
