Первые работы Корнберга посвящены промежуточным продуктам метаболизма и ферментам, участвующим в их образовании. Эти исследования привели к открытию химических реакций, ответственных за синтез флавинадениндинуклеотида и дифосфоуридиннуклеотида – коферментов, участвующих в окислительно-восстановительных процессах в клетке. Исследуя механизм синтеза нуклеотидов – мономерных единиц ДНК и РНК, – Корнберг подошел к проблеме их соединения друг с другом (полимеризации). Выделил и очистил фермент, называемый теперь ДНК-полимеразой, который катализирует копирование (репликацию) ДНК при делении клетки. Используя в качестве матрицы природную ДНК, Корнберг впервые осуществил синтез функционально активной ДНК in vitro.