Sanger recebeu em 1958 o seu primeiro Prêmio Nobel de Química, devido à descoberta da estrutura molecular da insulina, de importância fundamental para a síntese desta substância. Simultaneamente, desenvolveu um modelo para a análise estrutural de moléculas de proteína ainda mais complexas, como a hemoglobina. Em 1980, recebeu novamente o Prêmio Nobel em virtude de suas investigações (cujos resultados foram publicados em 1977) sobre a seqüência dos nucleotídeos no DNA (ácido desoxirribonucléico) de uma bactéria, que apresenta um total de 5.375 nucleotídeos. Nessa época, ele revelou a elaboração de um mapa da estrutura do DNA humano, constituído por mais de 17 mil nucleotídeos.