Se graduó en bioquímica en el Hunter College de Nueva York en 1937, pero su condición de mujer no le fue muy favorable para encontrar trabajo, así que se introdujo en el campo de la enseñanza e impartió clases de bioquímica a las enfermeras del Hospital School of Nursign de Nueva York durante tres meses. Después encontró a un químico que buscaba a alguien para trabajar como ayudante de laboratorio y aceptó sin pensárselo, pues aquéllo podría suponer una buena experiencia para ella. En 1939, sus pequeños ahorros le permitieron entrar en la escuela de graduados de la Universidad de Nueva York, en la que no tenía ni una sola compañera, aunque ello no hacía que se sintiera extraña.
Terminados estos estudios, Elion necesitaba realizar su trabajo de investigación para obtener el grado de Master, pero sus necesidades económicas la llevaron otra vez al mundo de la enseñanza como profesora sustituta de ciencias en las escuelas de Nueva York, mientras realizaba sus trabajos de investigación por la noche y durante los fines de semana en la Universidad de Nueva York. Así, en 1944, obtuvo su Master en Química por dicha universidad.
Nunca obtuvo un título formal de doctora, pero posteriormente fue reconocida con un título honorario por la Universidad George Washinton. Enseñó en la Universidad de Duke. Trabajando en solitario o simultáneamente con Hitchings, Elion desarrolló gran cantidad de nuevos fármacos, valiéndose de nuevos e innovadores métodos de investigación que posteriormente conducirían al desarrollo del fármaco AZT para el tratamiento del sida. Antes que basarse en el método de ensayo y error, Elion y Hitchings utilizaron las diferencias bioquímicas entre células humanas normales y patógenas (agentes causantes de enfermedades) para diseñar fármacos que pudieran eliminar o inhibir la reproducción de patógenos particulares sin dañar las células huéspedes.
Los descubrimientos de Elion incluyen:
- 6-mercaptopurina (Purinetol), el primer tratamiento contra la leucemia.
- Azatioprina (Imuran), el primer agente inmunosupresor (sustancia para prevenir el rechazo de un órgano trasplantado), usado en los trasplante de órganos.
- Alopurinol (Zyloprim), contra la gota.
- Pirimetamina (Daraprim), contra la malaria.
- Trimetoprim (Septra), eficaz frente a las meningitis bacterianas y algunos tipos de septicemia, e infecciones bacterianas del tracto urinario y respiratorio.
- Aciclovir (Zovirax), contra virus Herpes.
Gertrude Elion murió por causas naturales en Carolina del Norte en 1999, a la edad de 81 años. Permaneció soltera y nunca tuvo hijos.