Основные работы Сент-Дьёрдьи посвящены химии витаминов, изучению процессов окисления в клетке, механизмов мышечного сокращения. В 1927–1929 Сент-Дьёрдьи обнаружил в растительных тканях гексуроновую кислоту и доказал ее идентичность витамину С. В 1936 открыл витамин Р. Изучая потребление кислорода при мышечном сокращении, установил каталитическую роль в этом процессе дикарбоновых кислот. В ходе работ, выполненных в 1939–1946, открыл актомиозиновый комплекс, показал, что он состоит из двух компонентов – белков актина и миозина. Продемонстрировал роль аденозинтрифосфата (АТФ) как источника энергии при работе мышц. Исследования Сент-Дьёрдьи по изучению расщепления углеводов с образованием диоксида углерода, воды и других веществ и высвобождением энергии создали предпосылки для открытия Кребсом цикла трикарбоновых кислот.