Setelah menyelesaikan pendidikan, Bayliss menjadi pengajar di University College London selama hampir 24 tahun. Di sanalah ia bekerja sama dengan Ernest Starling dan membuat penemuan penting: ketika makanan menyentuh usus halus, tubuh mengeluarkan secretin, sebuah zat yang melalui aliran darah memberi sinyal ke pankreas agar menghasilkan cairan pencernaan. Cairan ini sangat penting untuk membantu tubuh mencerna makanan. Dari penemuan inilah, mereka menciptakan istilah “hormon”, yang berasal dari bahasa Yunani hormao yang berarti “membangkitkan” atau “merangsang”.
Penemuan mereka menjadi tonggak sejarah dalam ilmu biologi, karena sebelumnya belum ada konsep bahwa tubuh memiliki zat kimia pembawa pesan antarorgan. Berkat penelitian ini, berdirilah “Bayliss Clubs” di Amerika Serikat untuk memperluas pemahaman masyarakat tentang peran penting kimia dalam kehidupan.
Namun, pencapaian mereka tidak lepas dari kontroversi. Pada 1903, eksperimen yang dilakukan terhadap seekor anjing cokelat memicu kemarahan masyarakat pecinta binatang. Tuduhan terhadap Bayliss mencuat dalam peristiwa yang dikenal sebagai “Brown Dog Affair.” Ia dituduh melakukan viviseks—operasi pada hewan hidup tanpa anestesi. Bayliss membantah keras tuduhan ini, membawa kasusnya ke pengadilan, dan menang. Ia kemudian menyumbangkan £2.000 kepada universitas untuk mendukung penelitian fisiologi dan menulis tentang pentingnya memperlakukan hewan dengan baik dalam eksperimen ilmiah.