В 1919-1922 годах он был стипендиатом Нью-колледжа Оксфордского университета, затем перешел в Кембриджский университет, где принял должность преподавателя биохимии в Тринити-колледже и преподавал там до 1932 года. В течение девяти лет работы в Кембридже Холдейн занимался ферментами и генетикой, особенно математической стороной генетики. Холдейн написал множество популярных эссе о науке, которые были собраны и опубликованы в 1927 году в сборнике под названием "Возможные миры".
Затем он принял должность профессора генетики и перешел в Университетский колледж Лондона, где провел большую часть своей научной карьеры. Четыре года спустя он стал первым профессором биометрии Уэлдона в Университетском колледже Лондона.
На переезд Холдейна в Индию, первоначально в Индийский статистический институт (ISI), повлиял ряд факторов. Официально он заявил, что его главной политической причиной была реакция на Суэцкий кризис. Он писал: "Наконец, я еду в Индию, потому что считаю, что последние действия британского правительства были нарушением международного права".
Его интерес к Индии объяснялся также интересом к биологическим исследованиям, верой в то, что теплый климат пойдет ему на пользу, а также тем, что Индия предлагала ему свободу и разделяла социалистические мечты. В ISI он возглавлял отдел биометрии и проводил время, исследуя различные темы и направляя других исследователей вокруг себя.
