В 1904 году Каррель уехал в Канаду, затем в США, где стал ассистентом Физиологического института при Чикагском университете.
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.