I 1949 begynte Axelrod arbeidet ved National Heart Institute, som er forløperen for National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI), en del av National Institutes of Health (NIH). Han undersøkte mekanismene og effekter av koffein, noe som førte ham til en interesse for det sympatiske nervesystemet og de viktigste signalstoffer, adrenalin og noradrenalin. I løpet av denne tiden, forsket Axelrod også på stoffer som kodein, morfin, metamfetamin, og efedrin og han utførte noen av de første forsøkene med det narkotiske stoffet LSD. Han innså på denne tiden at han ikke kunne fremme sin karriere uten en doktorgrad. Derfor tok han permisjon fra NIH i 1954 for å begynne ved George Washington University Medical School. Han tok eksamen derfra ett år senere, i 1955. Axelrod returnerte til NIH og startet den viktigste forskningen så langt i hans karriere.