Stali się rzecznikami stosowania paracetamolu, jako leku pozbawionego działań ubocznych charakterystycznych dla acetanilidu.
W latach 1958–1984 kierował sekcją farmakologii w Narodowym Instytucie Zdrowia Psychicznego w Bethesda (Maryland). Był członkiem m.in. Narodowej Akademii Nauk w Waszyngtonie oraz londyńskiego Royal Society.
W 1970 roku otrzymał wspólnie z Ulfem von Eulerem i Bernardem Katzem Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za odkrycia dotyczące mediatorów synaptycznych, mechanizmów ich uwalniania, gromadzenia i unieczynniania. Badania te umożliwiły zrozumienie wielu problemów dotyczących przekazywania informacji w układzie nerwowym, a w konsekwencji opracowanie nowych metod leczenia w neurologii i psychiatrii. Axelrod zidentyfikował enzym, rozkładający chemiczne przekaźniki sygnałów nerwowych (neurotransmitery) w obrębie układu nerwowego (w sytuacjach, gdy nie są one już dłużej potrzebne). Odkrył także możliwość neutralizacji noradrenaliny przez enzym, metylotransferazę katecholową.
Axelrod ma również znaczący wkład do zrozumienia działania szyszynki i jej roli w regulacji cyklu sen-czuwanie.