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볼티모어의 교수였던 R. 둘베코와 둘베코의 또다른 제자인 H. M. 테민과 함께 1975년에 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다.

볼티모어와 테민은 각각 리보핵산(ribonucleic acid/RNA)이 주요구성성분인 몇몇 동물의 암바이러스가 자신의 유전정보를 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid/DNA)으로 전이할 수 있다는 것을 발견했다. 이 DNA는 바이러스에 의해 감염된 세포의 유전형태를 변화시켜 암세포로 변형시킨다.

볼티모어와 그의 아내 앨리스 후앙은 또한 수포성구내염을 일으키는 바이러스가 DNA의 관여 없이 RNA 복제 효소의 작용을 통해 스스로를 재생산한다는 것을 보여주었다. 1970년에 볼티모어는 2개의 암바이러스가 비슷하게 행동하는지를 보기 위한 실험을 했는데, 여기서 그는 두 바이러스가 모두 바이러스성 RNA를 DNA로 역전사하는 효소를 포함하고 있다는 것을 발견했으며 그것에 의해 분자생물학의 상식을 뒤집어 놓았다. 즉 유전정보가 항상 DNA에서 RNA로 변화하는 것이 아님을 발견했던 것이다.

펜실베이니아에 있는 스와스모어대학을 졸업한 뒤, 볼티모어는 뉴욕에 있는 록펠러대학교의 바이러스학 과정을 거쳐 박사학위를 받았고(1964), 매사추세츠공과대학(MIT)에서 일했다. 그후 캘리포니아의 러호이어에 있는 솔크 연구소에서 둘베코와 함께 일했으며(1965~68), 다시 MIT로 돌아와 교수로 재직했다.