Aziz Sancar, 1977-1982 yılları arasında Yale Üniversitesi'nin tıp fakültesinde çalıştı. Bu dönemde fotoliyaz enzimi çalışmalarına ara verip nükleotid kesim onarımı araştırmaları başladı. DNA onarımı dalında doçentlik tezini tamamladı. 1997 yılından itibaren araştırmalarını biyokimya ve biyofizik alanında yaptığı çalışmalarla tanınan Amerika Birleşik Devletleri North Carolina-Chapel Hill'de North Carolina Üniversitesi biyokimya ve biyofizik bölümünde sürdürmektedir.
DNA onarımı, hücre dizilimi, kanser tedavisi ve biyolojik saat üzerinde çalışmalarını sürdüren Sancar, 415 bilimsel makale ve 33 kitap yayınladı. Sancar, kanser tedavisinde sirkadiyen saat kullanımıyla ödüller aldı.2001 yılında Amerikan Kimya Cemiyeti tarafından verilen Kuzey Carolina Seçkin Kimyager Ödülü'nü almaya hak kazanan Sancar, 2005 yılında bilim dünyasının en prestijli üyelikleri arasında yer alan ABD Ulusal Bilimler Akademisi’ne seçilerek bu akademiye seçilen ilk Amerikalı Türk oldu. Bu ödülü aldıktan sonra, ABD'de okuyan Türk öğrencilerine yardım etmek ve Türk-Amerikan ilişkilerini geliştirmek amacıyla eşiyle birlikte Aziz&Gwen Sancar Vakfı'nı kurarak ABD'nin Kuzey Carolina eyaletinde "Carolina Türk Evi" isimli bir öğrenci misafirhanesi açtı. 2006 yılında Türkiye Bilimler Akademisi’ne aslî üye olarak seçildi.
Sancar, DNA'nın onarılması ile ilgili yaptığı çalışmalardan dolayı Amerikalı Paul Modrich ve İsveçli Tomas Lindahl ile birlikte[14] 2015 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Bu üç araştırmacı, 30 yıldan uzun süre birbirlerinden bağımsız olarak ve büyük oranda bakteri hücrelerinde çalışmaktadır. Sancar nükleotid kesim onarımı alanında buluşlar yapmış, Tomas Lindahl ve Paul Modrich ise diğer DNA onarımı mekanizmaları olan bazı kesim onarımı ve yanlış eşleşme onarımını keşfetmişlerdir. Aydınlattıkları temel mekanizmalar daha sonra insanlar dahil olmak üzere kompleks organizmalarda da gösterilmiştir.
Ayrıca Aziz Sancar'ın ismi Türkiye Milli Eğitim Bakanlığı tarafından İstanbul'da 2018 yılında proje okulu olarak açılan Aziz Sancar Anadolu Lisesi'ne verilmiştir.
Türkiye ve Amerika Birleşik Devletleri vatandaşıdır. Biyokimya profesörü Gwen Boles Sancar ile evlidir.