Descubrió que ciertos elementos de la masa genética(ADN) podían trasferirse y reagruparse en el trascurso del desarrollo al pasar de la célula embrionaria al estado del linfocito B.Demostró que cada linfocito es capaz de formar el anticuerpo necesario, es decir el anticuerpo que el organismo necesita en cada momento. Ante una agresión por un antígeno determinado, se produce una respuesta celular del organismo y produce la recombinación adecuada de genes para formar el anticuerpo específico contra ese antígeno. Ante estos hallazgos Tonegawa llegó a formular la teoria de que la cantidad y calidad de la respuesta inmulógica está condicionada genéticamente.

Gracias a sus trabajos se ha podido conocer cuántos genes de inmunoglobulinas tiene el ser humano, y como dan lugar a multitud de anticuerpos espcíficos.

Fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1987