Etter å ha fullført doktorgraden arbeidet Stenmark tre år som postdoktorstipendiat ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg under veiledning av Dr. Marino Zerial. Som postdoktorstipendiat i Marino Zerials gruppe studerte Stenmark Rab-GTPaser, en gruppe proteiner som styrer intracellulær transport. Stenmark var den første til å vise at Rab-GTPaser er aktive når de har bundet GTP og inaktive når de binder GDP . Han identifiserte også den første "effektoren" som binder til den GTP-bundne formen av Rab5 på endosomer, Rabaptin-5 .