Som student visade sig Sabin vara särskilt skicklig i laboratoriearbete. Hennes modell av nyföddas hjärnstam användes på många håll för undervisning inom läkarutbildningen.[7] 1901 publicerade hon An Atlas of the Medulla and Midbrain, som kom till användning som lärobok.
Efter att John Hopkins 1902 släppte sin tidigare policy att inte anställda kvinnliga lärare vid sin medicinska fakultet anställdes hon som assistent och började undervisa i anatomi.[7] 1917 blev Sabin professor i histologi på universitetet, och kom således att bli den första kvinnliga ordinarie medicinprofessorn. Några år senare valdes hon, som första kvinna, in i det amerikanska anatomisällskapet som hon 1924 blev ordförande för. 1925 valdes hon in i National Academy of Sciences.
Under ett antal år fokuserade hennes forskning på det lymfatiska systemet. Hon bevisade att lymfkärlen bildas från ett särskilt cellskikt i vissa vener i foster, och inte som tidigare hade antagits från mellanrummet mellan cellerna.[7] Detta etablerade henne som en framstående forskare. Hon forskade därefter kring blod, blodkärl och blodkroppar och gjorde många upptäckter gällande deras ursprung och utveckling.
1938 gick Sabin i pension från Rockefellerinstitutet och flyttade till Denver där hon 1944 blev medlem av en planeringskommitté kring folkhälsofrågor efter krigsslutet som tillsattes av Colorados guvernör.[7] Hon var den drivande kraften bakom en total omorganisation av delstatens hälso- och sjukvårdsorganisation. Den tillhörande lagstiftningen gick under samlingsnamnet "Sabin Health Laws". 1948 blev hon föreståndare för staden Denvers hälso- och sjukvårdsorganisation och stannade på denna post till 1953. Lönen hon tilldelades för detta arbete skänkte hon oavkortat till medicinsk forskning. Hon avled den 3 oktober 1953.
1934 publicerade hon en biografi över hennes tidigare mentor vid Johns Hopkins, Franklin P. Mall, under titeln Franklin Paine Mall: The Story of a Mind.
