Han ble ansatt ved Mayoklinikken i 1929 og jobbet der det meste av sin karriere. I gjennom mer enn 50 år forsket der på det hodepinefenomenet man i dag kjenner under navnet klasehodepine (CH), også kalt selvmordshodepine i Norge. Behandling med oksygen (O) og parenteral (injisert) dihydroergotamin ble først utprøvd av ham. Medisinsk O regnes fortsatt som det mest effektive virkemiddelet til å stoppe et anfall av CH. Klasehodepine var i mange år kjent som Hortons hodepine, men i 1952 ble benevnelsen endret til clusterhodepine, etter at den amerikanske nevrologen E. Charles Kunkle (1915–2005) oppdaget at anfallene kom i klaser.