Szent-Györgyit 1934-ben jelölték az orvosi Nobel-díjra, de azt csak 1937. október 28-án ítélte neki a svéd Karolinska Intézet. Az 1937. évi élettani és orvosi Nobel-díjat az indoklás szerint „a biológiai égési folyamatok terén tett felfedezéséért” kapta meg, „különösen a C-vitamin, valamint a fumársav-katalízis vonatkozásában”. Az érmet Szegedre vitte, a második világháború kezdetén a Magyar Nemzeti Múzeum megvásárolta tőle, a múzeumtól kapott összeget a finn–szovjet háború finnországi áldozatainak ajánlotta fel.
A Nobel-díj átvételekor öröme felhőtlen volt, mivel meg volt győződve arról, hogy felfedezése nem szolgálhatja az öldöklést. Néhány évvel később aztán rezignáltan kellett tudomásul vennie, hogy a náci Németországban olyan aszkorbinsav-készítményt kezdtek gyártani, amelynek révén a tengeralattjárók legénysége hónapokig képes volt a nyílt tengeren az ellenséges hajókra vadászni...
Szent-Györgyi Albert 1936-ban a hajszálerek áteresztőképességét szabályozó flavonokat izolált, ez az anyag volt a P-vitamin. Az izomszövetek oxigénfelvételét tanulmányozva vizsgálta a tejsav szén-dioxiddá alakulását, s azt tapasztalta, hogy négy szerves dikarbonsav katalitikus módon fokozza a szövetlégzést – ez vezetett a citrátkör felfedezéséhez.
A modern, szókimondó, közvetlen Szent-Györgyi a Nobel-díj dacára is csak nehezen nyerte el az akadémiai tagságot. A második világháború idején titkos diplomáciai küldetést is vállalt, majd 1944 őszén illegalitásba vonult, mert Hitler személyesen adott parancsot elfogására: a svéd követségről csempészték át már szovjet ellenőrzés alatt álló területre. 1945 után pártonkívüli meghívott parlamenti képviselő volt. 1947-ben – mivel úgy látta, a kommunista párt egyre növekvő hatalma az általa képviselt értékeket és személyes szabadságát is veszélyezteti – svájci szabadságáról az Egyesült Államokba utazott.
A massachusettsi Woods Hole-ban telepedett le, az Oceanográfiai Intézet számára létrehozott Izomkutató Laboratóriumban folytatta munkáját. Főként a sejtlégzéssel, izombiokémiával, biogenetikával és rákkutatással foglalkozott, s Őrült majom címmel könyvet írt, amelyben az emberiség túlélési esélyeivel foglalkozott. Magyarországgal mindvégig fenntartotta kapcsolatait, 1976-ban tagja volt a Szent Koronát hazahozó amerikai delegációnak.
