Murads Hauptforschungsgebiet war zunächst die Aktivierung des Enzyms Guanylatzyklase, welches an der Regulation des Herz-Kreislaufsystems beteiligt ist. Er konnte zeigen, dass die Wirkung einer Reihe von gefäßerweiternden Medikamenten, die durch dieses Enzym vermittelt wird, auf der Freisetzung von Stickstoffmonoxid beruht.

Robert F. Furchgott zeigte unabhängig von Murad, dass Blutgefäße selbst eine von ihm EDRF (Endothelium-derived relaxing Factor, etwa: aus dem Endothel stammender gefäßerweiternder Faktor) genannte Substanz bilden. Murad konnte schließlich zeitgleich mit dem unabhängig von ihm arbeitenden Louis J. Ignarro zeigen, dass es sich bei EDRF um Stickstoffmonoxid oder eine nahe verwandte Spezies handelt. Der Arbeitsgruppe von Murad gelang es später auch, das Enzym NO-Synthase zu isolieren, welches Stickstoffmonoxid in den Blutgefäßen bildet.

Für diese Entdeckungen erhielten die drei Forscher 1998 gemeinsam den Nobelpreis für Medizin. Murad und Furchgott war für diese Forschung bereits 1996 der Albert Lasker Award for Basic Medical Research zuerkannt worden.

In späteren Arbeiten befasste sich Murad mit weiteren Aspekten der Kreislaufregulation durch Botenstoffe auf molekularer Ebene.