1927年暑假后，高士其被选入芝加哥大学医学研究院就读医学博士课程，同时在细菌学系从事研究工作。第二年，应聘为芝加哥大学细菌系实验室助理，集中研究“食物毒细菌”。为了更好更直接地了解食物毒细菌对人体可能产生的危害，高士其曾经亲自吞吃了一种叫“b.aertrycke”的病菌菌液，从吞食开始，他就仔细地记录下自己身体各方面的感受与反应。老师和同学都为他献身科学研究的精神所感动，同时都为他的身体担心，因为在人们对病菌的活动机制与药理还没有了解的情况下，就这样直接在人身上做药物实验，是非常可怕的，甚至有生命的危险。但事后人们问高士其是如何想的时，高士其坦率地承认，他也知道这样做有相当大的危险，但要准确地了解病毒的危害，在与病菌作斗争的这样一个看不见的战场，就要有冒险精神和献身精神。如果万一我中毒了，别人就不会再受到同样的危害。他又对关心他的老师和同学说，请放心，我是研究化学与细菌学的，我会小心的。

从1928年暑假以后，高士其开始研究脑炎病毒。脑炎病毒是比白喉杆菌、霍乱病菌更小的“小魔王”，一般的显微镜无法看到它，只有用电子显微镜，将它放大几万倍后才能看到，可惜当时还没有电子显微镜。但脑炎病毒不仅非常厉害，而且人畜得病后，传染性极强，严重威胁着人与各种动物的健康与生命，如果不尽快了解这种病毒，研究有效的防护药物，将会给人类带来难以估计的灾难。

脑炎病毒又分甲型脑炎病毒和乙型脑炎病毒两种，高士其主要研究的是甲型脑炎病毒。研究中发现，脑炎病毒可以在豚鼠的脑中生长和繁殖。为采集到脑炎病毒，高士其养了成百上千只豚鼠，供实验时用。他给豚鼠注射上甲型脑炎病毒，让它在豚鼠的脑子里繁殖和生长，到合适的时候，再解剖豚鼠，取出脑子，研究病毒的机理以及寻找有效抑制与消灭这些病毒的方法。就这样，高士其每天都要做大量的解剖实验，不幸在解剖一只豚鼠时，出现了意外——他的手指不小心被刀片割破了，一只装有甲型脑炎病毒的瓶子也被打破了。尽管高士其当时采取了紧急防护措施，包扎好了伤口，又进行了消毒，脑炎病毒还是从伤口钻进了高士其的身体。

甲型脑炎侵入人体后，有一个大约两周的潜伏期，然后才发作。这天晚上，高士其在图书馆看书，突然感到眼睛不听使唤，眼球向上翻，看不见东西，过了一段时间，才恢复正常。高士其以为是看书太疲劳了，也就没有在意。以后这样的情形每隔一天，就会有一次。高士其想，一定是眼睛生病了，就到医院去检查，结果查不出病因，医生也建议他多休息，不要过度用眼。没想到，越到后来，不仅症状没有减轻，而且伴随有昏昏欲睡、耳背、脖子僵硬、转头困难等症状，有时甚至连手也不停地发抖，腿脚也不灵活了。这时的高士其突然想起半个月前做实验发生意外的事，已经明白是怎么一回事了。他马上到医院进行检查，果然不出所料。医生告诉他，他已经感染上了甲型脑炎病毒，可能是感染的脑炎病毒顺着血管，已经走遍了他的全身，一直侵蚀到脑细胞和脊髓里，也就是得了脑炎病。这种病因为经过了很长的潜伏期，到爆发时，病毒已经很顽固了，一时很难治愈。同时医生也怀疑，可能是脑炎病毒的瓶子在突然破裂的时候，病毒通过左耳耳膜进入小脑，破坏了小脑的中枢运动神经，因而极可能造成终身无法治愈的残疾。然而，不论哪种原因，高士其感染了甲型脑炎病毒是事实，而且病情较重，并有越来越重的趋势。为此，医生给高士其开了一张病情报告书，建议他休学回国疗养。

休学？回国？高士其简直不相信自己的耳朵，仿佛五雷轰顶，脑中一片空白。他不知道自己是怎样回来的，也不知道自己该怎么办。他才23岁呀！高士其是研究脑炎病毒的，对自己的病情与未来，他是清楚的（这次感染，最终导致高士其于1939年全身瘫痪）。他感叹命运怎么就这样不公平呢？——姐姐度平在23岁失去了生命，我在23岁要失去我的健康和事业，可我捉拿“小魔王”的战斗才刚刚打响，我就这样永远地退出了吗？不能！坚决不能！“小魔王”已向我开战，我是一名细菌战士，应该战斗到底！我可以以自己做实验，更好地研究脑炎病毒，仍然可以为人类最终战胜脑炎病毒做出贡献。他这样想着，反而平静下来。他要面对现实，好好地安排一下今后的生活、学习与工作。他比谁都清楚，摆在他面前的人生道路将非常艰辛，他从现在起就必须做最坏最艰苦的打算。而在眼前首先需要做的两件事是：一、不要将自己得病的情况告诉父母，免得他们为自己担忧。二、继续学业，学成回国，报效祖国。就这样，高士其忍受着疾病的痛苦煎熬，以惊人的毅力，读完了医学博士的全部课程，并以突出的成绩，被推荐为芝加哥大学国际学生年会的代表，成为美国化学学会和美国公共卫生学会的会员。