Penelitiannya menemukan sifat sinaps yang sesungguhnya, persimpangan di mana sel saraf mengirimkan sinyal satu sama lain dan ke jenis sel lainnya. Dari tahun 1950-an, ia mempelajari biokimia dan aksi asetilkolin, sebuah molekul sinyal yang dengannya sinaps menghubungkan "saraf motorik" ke otot untuk merangsang kontraksi. Katz memenangkan Penghargaan Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran untuk penemuannya bahwa pembebasan neurotransmiter di sinaps bersifat "kuantal"—yakni di setiap sinaps tertentu jumlah neurotransmiter yang dibebaskan tak pernah kurang dari jumlah tertentu, dan jika lebih selalu merupakan perkalian bilangan integral pada jumlah ini.
Karya Katz telah memacu pengaruh studi organofosfat dan organoklorin, basis studi pascaperang untuk perantara saraf dan pestisida, seperti yang ditentukannya bahwa siklus enzim kompleks dengan mudah terganggu.