Axelrod fick tillsammans med Bernard Katz och Ulf von Euler 1970 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för upptäckter rörande signalsubstanser i nervcellernas kontaktorgan och mekanismerna för dessas upplagring, frisättning och inaktivering. Pristagarnas arbete var viktigt för utvecklingen av läkemedel för behandling inom psykiatrin liksom andra läkemedel.