Arvid Carlsson fick nobelpriset i medicin 2000 för sina upptäckter rörande signalöverföring i nervsystemet.
I början av 1950-talet visade han att dopamin är en signalsubstans i hjärnan, inte enbart en kemisk föregångare till noradrenalin som man dittills hade trott. Han fann också att brist på dopamin i hjärnan kunde ge upphov till stela och tröga muskelrörelser, något som liknade symtomen vid Parkinsons sjukdom. Dessa störningar kunde upphävas med hjälp av L-dopa, som i hjärnan omvandlas till dopamin.
På 1960-talet intresserade sig Arvid Carlsson för klorpromazin och andra läkemedel som hade gynnsam effekt vid schizofreni. Han kunde visa att preparaten blockerar nervcellers receptorer för dopamin.
Arvid Carlssons forskning har också haft betydelse för de antidepressiva medlen, där han särskilt har medverkat vid tillkomsten av den kategori som verkar genom att selektivt påverka signalsubstansen serotonin.
Tillsammans med dottern Lena Carlsson har Arvid Carlsson givit ut den populärvetenskapliga boken Hjärnans budbärare (1988, reviderad upplaga 2001).