Во время пребывания в Чикаго с 1904 по 1906 год он усовершенствовал свою хирургическую технику и провел первые операции по трансплантации органов, которые были бы невозможны без применения его метода сшивания и технического мастерства.

Своими успехами Каррель обратил на себя внимание Симона Флекснера, который старался привлечь талантливых исследователей в недавно созданный Рокфеллеровский институт медицинских исследований (в настоящее время – Рокфеллеровский университет) в Нью-Йорке.

В 1906 был приглашен в Рокфеллеровский институт медицинских исследований в Нью-Йорке. Здесь он занимался разработкой техники сшивания кровеносных сосудов «конец в конец» (шов Карреля), позволяющей проводить пересадку органов с сохранением их функций.

В первые годы пребывания в Рокфеллеровском институте Каррель провел эксперименты по трансплантации органов и в дальнейшем усовершенствовал хирургические методы пересадки не только кровеносных сосудов и почек, но и целых конечностей от одного животного другому.

Ему без труда удавалось заменить часть поврежденной артерии или вены другим кровеносным сосудом, взятым у того же животного. Подобная аутотрансплантация сосудов является основой многочисленных важных операций, выполняемых в настоящее время.

Каррель был награжден Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1912 году «за признание его работы по сосудистому шву и трансплантации кровеносных сосудов и органов».

Еще одно направление его исследований – сохранение кровеносных сосудов и органов в жидкой среде для последующей их пересадки, а также опыты по поддержанию функций изолированных органов, помещенных в сосуд со специальной средой.

В 1911—1915 годах им была разработана техника выращивания культуры тканей с использованием плазмы крови и эмбриональной жидкости, позволившая поддерживать рост одной тканевой культуры многие годы.

В 1930—1935 Каррель совместно с Ч. Линдбергом сконструировал «перфузионную помпу» – искусственное сердце, с помощью которого можно было снабжать кровью и кислородом изолированный орган. Результаты этой работы были опубликованы в статье «Культивирование органов» (1938).

Кроме того, Каррелем были созданы новые методы обработки ран, их заживления и лечения (опыт, приобретенный им во время Первой мировой войны), описанные в книге «Лечение инфицированных ран» (1917).

В содружестве с биохимиком Генри Д. Дэкином Каррель разработал мягкое, нетоксичное и не раздражающее дезинфицирующее средство, состоящее из забуференного водного раствора гипохлорида натрия, которое эффективно использовалось во время хирургических вмешательств при промывании и обработке ран. Применение метода Карреля – Дэкина значительно снизило частоту возникновения гангрены, но впоследствии он был заменен использованием антибиотиков.

Каррель, так никогда и не ставший гражданином США, был отозван во Францию в связи с началом Второй мировой войны. Во время службы в медицинских частях французской армии он использовал свой метод сшивания сосудов при лечении раненых солдат. За заслуги в военные годы он был награжден орденом Почетного легиона.

После оккупации Франции правительство Виши назначило его директором Фонда исследований человеческих отношений, в задачи которого входило психическое и физическое преобразование человечества в соответствии с идеями авторитаризма.

В своей наиболее популярной книге «Человек. Неизвестное» (1935) Каррель представил грандиозный план, который, по его мнению, сохранит человечество и улучшит качество человеческой популяции. Он предложил создать «Высокий совет», который будет управлять миром во благо его процветания; решения этого органа будут носить рекомендательный характер для политических лидеров. Согласно мнению Карреля, такая организация «будет обладать достаточным знанием, чтобы предотвратить физическое и умственное вырождение цивилизованных наций».

Замыслы Карреля оказались созвучными некоторым идеям нацизма, а его элитные теории совпали с фактом принятия им поддержки со стороны правительства Виши и ведения переговоров с Германией, касающихся создания его института, что привело к преувеличенным обвинениям в его адрес в сотрудничестве с нацистами. Вскоре после освобождения Франции, в 1944 году, институт был расформирован. Сторонники Карреля утверждали, что его идеи были мечтами об изменении развития послевоенной Франции в соответствии с философскими и биологическими направлениями, изложенными в его книге. Американский анатом и писатель Георг В. Корнер писал, что «Каррель не был нелояльным к политическому режиму, существовавшему во Франции и Америке, которая столь долго принимала его, он думал только о благоденствии своей страны в соответствии с совестью». Хотя Каррель и не был арестован за сотрудничество с нацистами, постоянные дискуссии по этому поводу бросали тень на его репутацию. Подорванное лишениями военного времени, здоровье Карреля ухудшилось.

После освобождения Парижа в 1944 году Каррель был отстранен от поста директора и обвинен в коллаборационизме (предательстве).

В 1913 году Каррель женился на Анне де ля Мот де Мейри, у которой был сын от первого брака; общих детей они не имели. Анна Каррель была медицинской сестрой, поддерживающей своего супруга в его исследованиях и часто ассистировавшей ему при хирургических операциях.

Умер Каррель в Париже 5 ноября 1944 года.

Алексис Каррель являлся членом научных обществ США, Испании, Швеции, России, Нидерландов, Бельгии, Франции, Ватикана, Германии, Италии и Греции. Он получил почетные докторские степени университетов в Белфасте, Принстоне, Брауне, Нью-Йорке, Колумбии и Калифорнии. Алексис Каррель был кавалером бельгийского ордена Леопольда и шведского ордена Полярной Звезды; награжден орденами Испании, Сербии, Великобритании и Ватикана.