Jego badania dotyczyły wówczas mechanizmów aktywacji metalu enzymu Pgm. Tam też rozpoczął współpracę z Frederickiem Sangerem. Główna część badań Milsteina dotyczyła studiowaniu struktury przeciwciał i mechanizmu, przez którego różnorodne przeciwciała były generowane.
Po powrocie do Argentyny César Milstein, kontynuował swoje badania, lecz przez prześladowania liberalnych intelektualistów, zmuszony został do rezygnacji z pracy i powrócił do Cambridge. Tu ponownie rozpoczął współpracę z Sangerem i został dyrektorem Head of the Division of Protein Chemistry w nowo powstałym Laboratorium Biologii Molekularnej. Swoje badania z enzymologii skierował ku immunologii.
W roku 1984 wraz z Niels Jerne i Georges J.F. Köhlerem otrzymał Nagrodę Nobla za opracowanie technologii produkcji przeciwciał monoklonalnych.
Milstein samodzielnie dokonał wiele zmian i odkryć i przyczynił się do rozwoju technologii tworzenia przeciwciała monoklonalnych. Laureat Medalu Copleya.
César Milstein umarł w niedzielę 24 marca 2002 w Cambridge, w Wielkiej Brytanii, w wieku 74 w wyniku zawału serca.