W 1954 roku przybył tam też Wright. W czasie pobytu w Wisconsin Kimura napisał szereg publikacji. Szybko stał się światowym liderem w dziedzinie matematycznej genetyki populacyjnej. Był postrzegany jako następca Fishera, Wrighta i Halddanea.
W 1960 roku Kimura opublikował w języku japońskim podręcznik – „Szkice genetyki populacyjnej”. Prawdopodobnie był to najbardziej zaawansowany podręcznik tego przedmiotu na świecie w owym czasie. Kimura współpracował m.in. z Takeo Maruyama, Tomoko Ohta, Naoyuki Tekahata, dzięki czemu Mishima stało się światowym centrum teoretycznej genetyki populacyjnej w latach 70. XX w.
Najbardziej znaczącym wkładem Kimury jest hipoteza zakładająca, że większość substytucji nukleotydów w procesie ewolucyjnym jest wynikiem neutralnych lub prawie neutralnych mutacji i że wiele zmian molekularnych obserwowanych w danej populacji reprezentuje tylko stadium długoterminowej ewolucji molekularnej. Taki punkt widzenia był obcy ówczesnym ewolucjonistom i dlatego wielu podniosło głosy krytyki wobec koncepcji Kimury. Był to czas szybkiego rozwoju neodarwinizmu i ewolucjoniści nie mogli uwierzyć, że substytucje genów mogą zachodzić w dużych naturalnych populacjach bez udziału doboru naturalnego.