Nach der Niederlage der Buren im Zweiten Burenkrieg begann Theilers eigentliche Karriere. 1908 wurde Theiler zum ersten Leiter des neugegründeten "Veterinary Research Institute" in Onderstepoort und damit des gesamten Veterinärwesens in Südafrika. Robert Koch, der 1902 bei einem Ausbruch des Küstenfiebers hinzugezogen wurde, konnte als Ursache einen neuen Parasiten "Koch’s blue bodies" identifizieren. Arnold Theiler klärte den Lebenszyklus des von Koch entdeckten Parasiten lückenlos auf. Als Überträger machte er die Braune Ohrzecke ("Rhipicephalus appendiculatus") aus, deren Verbreitung auf Ost- und Südafrika beschränkt ist. Koch hatte fälschlicherweise als Überträger der Krankheit die Blaue Ohrzecke angegeben. Theiler beschäftigte sich in Südafrika auch mit dem Botulismus, als diese Krankheit 1927 beim Rindvieh auftrat.