20世纪20年代，萨姆纳相信酶是蛋白质 。他从1917年开始用刀豆粉为原料，分离提纯其中的脲酶（刀豆中脲酶多，易于测定）。1926年他成功地分离出一种脲酶活性很强的蛋白质。这是生物化学史上首次得到的结晶酶，也是首次直接证明酶是蛋白质，推动了酶学的发展。1937年他又得到了过氧化氢酶的结晶，还提纯了几种其他的酶。由于脲酶和其他酶的工作，他于1946年获得诺贝尔化学奖。他的着作有《生物化学教本》、《酶的化学和方法》(与G.F.萨默斯合着)、《酶-化学及其作用机制》(与K.迈尔巴克共同主编)等，后两种已被译成俄文等其他文字。