1927年暑假後，高士其被選入芝加哥大學醫學研究院就讀醫學博士課程，同時在細菌學係從事研究工作。第二年，應聘為芝加哥大學細菌係實驗室助理，集中研究“食物毒細菌”。為了更好更直接地了解食物毒細菌對人體可能產生的危害，高士其曾經親自吞吃了一種叫“B.Aertrycke”的病菌菌液，從吞食開始，他就仔細地記錄下自己身體各方麵的感受與反應。老師和同學都為他獻身科學研究的精神所感動，同時都為他的身體擔心，因為在人們對病菌的活動機製與藥理還沒有了解的情況下，就這樣直接在人身上做藥物實驗，是非常可怕的，甚至有生命的危險。但事後人們問高士其是如何想的時，高士其坦率地承認，他也知道這樣做有相當大的危險，但要準確地了解病毒的危害，在與病菌作鬥爭的這樣一個看不見的戰場，就要有冒險精神和獻身精神。如果萬一我中毒了，別人就不會再受到同樣的危害。他又對關心他的老師和同學說，請放心，我是研究化學與細菌學的，我會小心的。
從1928年暑假以後，高士其開始研究腦炎病毒。腦炎病毒是比白喉杆菌、霍亂病菌更小的“小魔王”，一般的顯微鏡無法看到它，隻有用電子顯微鏡，將它放大幾萬倍後才能看到，可惜當時還沒有電子顯微鏡。但腦炎病毒不僅非常厲害，而且人畜得病後，傳染性極強，嚴重威脅著人與各種動物的健康與生命，如果不盡快了解這種病毒，研究有效的防護藥物，將會給人類帶來難以估計的災難。
腦炎病毒又分甲型腦炎病毒和乙型腦炎病毒兩種，高士其主要研究的是甲型腦炎病毒。研究中發現，腦炎病毒可以在豚鼠的腦中生長和繁殖。為采集到腦炎病毒，高士其養了成百上千隻豚鼠，供實驗時用。他給豚鼠注射上甲型腦炎病毒，讓它在豚鼠的腦子裏繁殖和生長，到合適的時候，再解剖豚鼠，取出腦子，研究病毒的機理以及尋找有效抑製與消滅這些病毒的方法。就這樣，高士其每天都要做大量的解剖實驗，不幸在解剖一隻豚鼠時，出現了意外——他的手指不小心被刀片割破了，一隻裝有甲型腦炎病毒的瓶子也被打破了。盡管高士其當時采取了緊急防護措施，包紮好了傷口，又進行了消毒，腦炎病毒還是從傷口鑽進了高士其的身體。