尽管已经拿到了大学学位，但是陈克恢深感自己学识的欠缺和不足，如果要继续从事科学研究工作，还需要更多的生理学、生物化学和药理学知识，陈克恢因此又考入威斯康辛大学医学院，学了两年医学课程，并获得了生理学博士学位。
1923年，陈克恢因母亲病重回国，并带母亲乘火车去协和医院看病，经过医生的的诊断，确诊陈克恢母亲患了宫颈癌，在协和医院经过放射治疗，病情得以缓解，其母又延续了10年的生命。
陈克恢的这次之行，无意间竟成为他事业的一个重要转折点，他接受了“协和医学院”的聘书，受聘担任药理系的助教，开始了他对中药麻黄的研究，而之所以选择麻黄这味中药作为研究对象，完全是因为一个偶然的因素。
陈克恢与舅舅在一次饭间闲谈的时候，两人聊起了中药的药性和效用，陈克恢灵机一动，请舅舅列出10味毒性最大的中药，舅舅随手就列出了一张药单，排在第一位的就是麻黄，并向他介绍了这些中药的一些特性和疗效。
陈克恢很快就找来《本草纲目》等药典进一步查阅麻黄等中药的资料，最终把目光锁定在毒性最大的麻黄上，并到中药铺买来一些麻黄，在药理系主任卡尔·施密特教授的支持下，利用在“克莱默实验室”学到的植物化学研究方法，使用几种不溶性溶剂，在几周之内，就从麻黄中分离出了“左旋麻黄碱”。
陈克恢在查阅文献资料时，得知日本学者长井长义曾在1887年就从麻黄中分离出麻黄碱，并命名为ephedrine（麻黄素），但文献中只提到了可扩大瞳孔，并无其它药理记载。
陈克恢与施密特教授一起研究麻黄碱的药理作用，他们先在动物身上进行实验，以此来检验麻黄碱的药理作用，他们用1-5毫克的麻黄碱给狗静脉注射，发现可使狗的颈动脉压长时间升高，心肌收缩增强，血管收缩，支气管扩张，也可使离体子宫加速收缩，而且对中枢神经有兴奋作用，用麻黄素滴入眼睛，可引起瞳孔散大，这些药理反应都与肾上腺素作用相同，所不同的是，麻黄碱口服也有疗效，而且作用时间长，毒性也比较低。
1924年，陈克恢将研究和实验麻黄碱的药理作用写成学术论文，发表在美国最权威的药理上，向国际药理学界报告了这一新的发现。
当时美国尚无严格的药政管理法，因此，关于对麻黄碱的药理作用的研究，很快就进入临床实验和观察，最终证明麻黄碱可以治疗过敏性疾病、干草热和支气管哮喘，还可以用于脊椎麻醉，以防血压下降。