下村脩
1960年(昭和35年)4月に、「海ホタルルシフェリンの構造(第2~3報)」の論文に対して、名古屋大学から理学博士号が授与された。1960年(昭和35年)8月に、横浜港から氷川丸にて渡米した。
その後も平田のことは恩師と仰ぎ、2000年(平成12年)に平田が死去した後も、論文を書くたびに平田の自宅に送ったり、来日して同門の研究者と墓参りをしていたという。ノーベル化学賞受賞後の取材では、恩師の平田に一番に受賞の喜びを伝えたいと述べた。
博士号取得後、名古屋大学で従事したウミホタルの研究が評価され、1960年(昭和35年)8月からフルブライト奨学生としてプリンストン大学に博士研究員として留学、フランク・ジョンソン教授に師事し、オワンクラゲを研究する(~1963年8月)。1963年(昭和38年)9月に帰国後、名古屋大学理学部付属水質科学研究施設助教授に就任。しかしアメリカ時代とは異なり思うような研究ができず、またこのとき結婚をして長男が誕生していたため生活環境を変えることに迷いがあったが、妻の助言もあり、1965年(昭和40年)にプリンストン大学上席研究員職を得て再び渡米、研究拠点をアメリカに移す。下村はこのときの経験を、安定した収入と職場を捨てリスクを伴う海外移住であったが、若さゆえにできたと後述している。
1960年(昭和35年)、フルブライト奨学生として渡米。プリンストン大学でジョンソン教授に師事した後、名古屋大学助教授としての帰日期間を挟んで1965年(昭和40年)再渡米。その後、1965年(昭和40年)10月から1982年(昭和57年)までプリンストン大学上席研究員、1982年(昭和57年)から2001年(平成13年)までウッズホール海洋生物学研究所 (MBL) 上席研究員を務める一方、1981年(昭和56年)から2000年(平成12年)まではボストン大学医学部客員教授を兼任した。2001年(平成13年)にはボストン大学名誉教授となる。
研究活動を通じ、ウミホタル・オワンクラゲなど発光生物の発光メカニズムを次々と解明するに至った。なかでもプリンストン大学時代にフライデーハーバー実験所で行ったオワンクラゲからのイクオリンおよび緑色蛍光タンパク質 (GFP) の発見(1962年)とその後の研究は生物発光の学問の世界にとどまらず、今日の医学生物学の重要な研究ツールとして用いられ、医学臨床分野にも大きな影響を及ぼしている。主たる研究活動の場が米国であったためノーベル賞受賞まで日本での知名度は低かった。