Основные работы Лёви посвящены физиологии сердечно-сосудистой системы. Лёви исследовал действие на работу сердца синильной кислоты, фосфора и мышьяка (1896), изучал физиологию мочеотделения (1902–1905) и регуляцию сердечной деятельности (1905–1908). Несколько его работ посвящено диабету, изучению действия дигиталиса и адреналина (адреналиновая реакция Лёви – Кордса). В 1920 приступил к исследованиям химической природы передачи нервных импульсов. В 1921 установил, что при раздражении симпатического нерва изолированного сердца лягушки выделяется вещество, которое способно стимулировать сердечную деятельность у другой лягушки. При раздражении сердечной ветви блуждающего нерва образуется вещество, тормозящее деятельность сердца (Лёви назвал его вагус-веществом). Впоследствии было показано, что таинственное вагус-вещество расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой и по ряду свойств идентично ацетилхолину. Находки Лёви послужили основой для создания теории химической передачи нервного возбуждения.

В 1938, после оккупации Австрии нацистами, Лёви переехал в Бельгию, где в течение года заведовал кафедрой в Брюссельском университете. В 1940 эмигрировал в США и в 1946 получил американское гражданство. С 1940 по 1961 Лёви – профессор фармакологии в медицинском колледже Нью-Йоркского университета. В 1944 был награжден Камероновской медалью Эдинбургского университета; ему были присвоены почетные звания университетами Франкфурта, Йеля, Нью-Йорка и Граца. Умер Лёви в Нью-Йорке 25 декабря 1961.