I 1957 fikk han et personlig professorat i tumorbiologi ved Karolinska institutet. Han var pionér innen kreftimmunologi og gjorde undersøkelser av hvordan arvemassen i normale celler kan undertrykke kreftcellers ondartede virke. Han foretok også omfattende studier av Epstein–Barr-viruset og dets rolle ved Burkitt-lymfomet. Georg Klein fortsatte å arbeide innen tumorbiologi og genetikk til sin død.