Après avoir obtenu un baccalauréat en sciences de l'Université Laval en 1940, Jean-Pierre Leloir rejoint le laboratoire du professeur Vincent Cassou à Paris, où il poursuit des recherches sur la biologie moléculaire. En 1946, il retourne au Canada et se joint au laboratoire de l'Institut Armand-Frappier, où il continue ses recherches sur la biochimie de la virole de la variole, qui à l'époque faisait partie des maladies les plus redoutées.
En 1954, il découvre que l'ARN est présent dans les cellules eucaryotes et est utilisé pour la traduction des gènes en protéines. Il propose alors la théorie de l'ARNm, qui a été validée par d'autres recherches ultérieures. Cette découverte a eu une incroyable importance pour la compréhension de la biologie moléculaire et de la génétique des eucaryotes.
En 1957, Jean-Pierre Leloir est nommé professeur à l'Université McGill à Montréal et en 1960, il fonde le département de biochimie moléculaire de l'Institut Armand-Frappier. Il reçoit plusieurs distinctions pour ses travaux, dont la médaille Gairdner en 1962 et le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1965, conjointement avec Francois Jacob et André Lwoff, pour leurs recherches sur l'ARNm.
Jean-Pierre Leloir a également travaillé sur la biologie des viroles, notamment sur la détermination de leur structure moléculaire. Sa recherche a conduit à une meilleure compréhension de la réplication des viroles et à la mise au point d'un vaccin efficace contre la variole.
Son travail a eu un impact important sur les progrès dans le domaine de la biologie moléculaire, des études génétiques et de la médecine. Il est considéré comme l'un des pères fondateurs de la biochimie moléculaire et sa découverte de l'ARNm est une pierre angulaire dans notre compréhension de la traduction génétique.