Milstein formó parte del Laboratorio de Biología Molecular de la Universidad de Cambridge y en ese lugar trabajó en el estudio de las inmunoglobulinas, adelantando el entendimiento acerca del proceso por el cual la sangre produce anticuerpos (las proteínas encargadas de combatir la presencia de cuerpos extraños o antígenos). Junto a Georges Köhler desarrolló una técnica para crear anticuerpos con idéntica estructura química, que denominó anticuerpos monoclonales.
En 1983, fue nombrado jefe y director de la División de Química, Proteínas y Ácidos Nucleicos de la Universidad de Cambridge. Por su trabajo en el desarrollo de anticuerpos monoclonales, obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1984. A pesar de que lo hubiera hecho enormemente rico, Milstein no registró ninguna patente por su laureado descubrimiento, ya que pensaba que era propiedad intelectual de la humanidad y como tal lo legó. De acuerdo a sus convicciones, su trabajo carecía de interés económico y solo poseía interés científico.
