Van 1953 tot 1959 was hij hoogleraar alsmede hoofd van de afdeling microbiologie van de Washington-universiteit in Saint Louis, waar hij zich ook met enzymen bezighield. Hier werkte hij samen met mede-Nobellaureraten Carl en Gerty Cori en Paul Berg. Zijn wetenschappelijke arbeid aldaar resulteerde in 1958 in de ontdekking van het DNA-polymerase I, een enzym dat de synthese van de dubbele helix van DNA verzorgd. Deze vondst was zo interessant dat het Nobelcomité hem al in 1959 de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde toekende, drie jaar eerder dan de ontdekkers (Crick, Watson, Wilkens) van het DNA-model zelf. Het Nobelprijscomité bracht zijn toekenning als volgt onder woorden: "voor de synthese van de nucleïnezurenDNA en RNA".[2] DNA en RNA bepalen hoe genetische informatie wordt overgedragen bij opeenvolgende celgeneraties.
Hij was de eerste die viraal DNA kon repliceren, dit kunstmatige DNA was echter niet biologisch actief. Dit was pas mogelijk met de ontdekking van het enzym ligase die de ring van DNA sluit. In 1959 werd hij hoogleraar en uitvoerend hoofd van de afdeling biochemie van de Stanford-universiteit. Op 14 december1967 stelde hij als eerste een kunstmatig virus (ΦX174) samen. Ook op hoge leeftijd pleegde Kornberg aan deze universiteit nog wetenschappelijk onderzoek.
Een 'biochemische' familie
Sylvy Ruth Levy, zijn eerste vrouw, was eveneens biochemicus en werkte nauw met hem samen. Zij had een belangrijk aandeel in de ontdekking van de DNA-polymerase en voelde zich naar eigen zeggen "beroofd" toen alleen haar echtgenoot met een collega de Nobelprijs ontving. Na haar overlijden in 1986 hertrouwde hij in 1988. Nadat ook zijn tweede vrouw was overleden, hertrouwde hij opnieuw in 1998. Arthur Kornberg overleed zelf in de herfst van 2007 op 89-jarige leeftijd omdat zijn ademhaling het liet afweten.[3]