Hjärnscanning visar EPO - som används olagligt av idrottare för att öka prestanda - kan hjälpa spädbarn när de ges efter födseln.
Studien, som publicerades i Journal of the American Medical Association, omfattade nästan 500 spädbarn födda mellan 26 och 31 veckor i Schweiz.
Forskarna efterlyser bredare studier av hormonet, som redan ges till vissa spädbarn för att behandla anemi.
Erytropoietin är ett hormon som stimulerar produktionen av röda blodkroppar.
Syntetisk EPO används för att behandla tillstånd som anemi, där det finns färre röda blodkroppar än normalt.
Det kan också ges till för tidigt födda barn för att minska behovet av blodtransfusioner.
I den schweiziska studien fann en grupp vid universitetssjukhuset i Genève att för tidigt födda barn hade en minskad risk för hjärnskador, vilket bedöms genom hjärnskanning, när de fick tre doser EPO kort efter födseln.
Spädbarn som fick EPO hade lägre grad av skada på både hjärnans vita substans (22 % jämfört med 36 % i kontrollgruppen) och den grå substansen (7 % mot 19 %).
– Vi fann att hjärnan hos de barn som fått behandlingen hade mycket mindre skador än i kontrollgruppen, som fått placebo, säger dr Russia Ha-Vinh Leuchter, medforskare i studien.
"Detta är första gången som den positiva effekten av EPO hormonet på hjärnan hos för tidigt födda barn har visats."
Forskarna efterlyser bredare kliniska prövningar av EPO för att se om det kan bidra till att skydda hjärnan hos för tidigt födda barn under de kritiska veckorna efter födseln.
Dr Jane Hawdon, en konsult neonatolog på Barts Health NHS Trust, som inte var involverad i studien, sade någon behandling som kan minska långsiktiga problem hos prematura barn motiverade ytterligare översyn.
"Vi bör notera att författarna inte rekommenderar omedelbar inkludering av denna behandling i rutin," sade hon.
"Det är också viktigt att notera att majoriteten av prematura barn inte har betydande hjärnskador."
Hormonet erytropoietin (EPO) kan förhindra hjärnskador hos mycket för tidigt födda barn, visar en studie.