W 1932 roku uzyskał tytuł lekarza medycyny i rozpoczął praktykę w szpitalu klinicznym. Uznał jednak, że nie ma podejścia do pacjenta, i podjął pracę naukową w Instytucie Fizjologii, w którym współpracował z późniejszym noblistą w dziedzinie fizjologii i medycyny, Bernardo Houssayem. Zajmował się głównie procesami zachodzącymi w nadnerczu oraz metabolizmem węglowodanów.
thumb|left|Leloir (z lewej) i współpracownicy świętują otrzymanie Nagrody Nobla (grudzień 1970) W 1936 wyjechał na roczny staż do Anglii na Uniwersytecie w Cambridge, gdzie pracował pod kierunkiem innego noblisty, Fredericka Hopkinsa. Po powrocie do Argentyny zajmował się, między innymi, zachodzącym w wątrobie utlenianiem kwasów tłuszczowych oraz tworzeniem się angiotensyny.
W 1943 poślubił Amelię Zuberbuhler; ich córka również otrzymała imię Amelia.
W 1948 Leloir wraz z grupą współpracowników rozpoczął badania nad metabolizmem galaktozy. Doprowadziły one do wyizolowania szeregu nieznanych dotąd nukleotydów cukrów, w tym glukozodifosforanu.
W 1970 otrzymał nagrodę