Han ble tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medisin sammen med Robert W. Holley og Marshall Warren Nirenberg i 1968 for sitt arbeid angående hans tolkning av den genetiske koden og dennes funksjon i proteinsyntesen. Khorana og Nirenberg ble også tildelt Louisa Brutto Horwitz-prisen fra Columbia University det samme året. Senere mottok han National Medal of Science.