Eccles 1951-66 között Canberrában, az Ausztrál Nemzeti Egyetemen dolgozott. Kimutatta, hogy az idegsejt inger által okozott izgalmi állapota az idegvégződések egyik fajtáját arra készteti, hogy a szomszédos sejtbe hatoló anyagot (feltehetően acetilkolint) bocsásson ki. Ez kitágítja az idegsejtmembrán pórusait, ezáltal szabad utat ad a nátriumionoknak, amelyek a szomszédos idegsejtbe hatolva, megfordítják az elektromos töltés polaritását. A töltésváltozásnak ez a sejtről sejtre vezetődő hulláma alkotja az ingerületet. Eccles úgy találta, hogy az izgalmi állapotban levő idegsejt egy másik típusú idegvégződést arra késztet, hogy a szomszédos sejtbe olyan anyagot bocsásson ki, amely elősegíti, hogy a pozitívan töltött káliumionok kiáramoljanak a membránon keresztül. Így a fennálló polaritás megszilárdul, meggátolva az ingerület tovaterjedését.
Eccles munkája jórészt Hodgkin és Huxley felfedezéseire támaszkodott, s alapvető hatást gyakorolt az idegrendszeri betegségek orvosi kezelésére, a vese-, szív- és agyműködés kutatására. Jelentősebb művei: Reflex Activity of the Spinal Cord (A gerincvelő reflextevékenysége; 1932), The Physiology of Nerve Cells (Az idegsejtek élettana; 1957), The Inhibitory Pathways of the Central Nervous System (A központi idegrendszer gátló pályái; 1969), The Understanding of the Brain (Az agyműködés megértése; 1973), The Human Psyche (Az emberi psziché; 1980).