從小優遊在各種領域好奇探索的本庶佑，到了十八歲時，面臨了重要的人生抉擇。馬上就要考大學的他，需要決定考大學的志願。
一開始他只有一個很明確的目標，那就是：「不要成為只能在別人底下工作的人。」由於他的英文不錯，他曾考慮當外交官。口才流利的本庶佑，也有興趣當律師。而受到父親的影響，本庶佑認真思考，也許應該從醫。
醫生、律師、外交官，都是可以比較獨立自主的專業，符合本庶佑不想成為上班族的目標。但是，當他考慮到這幾個職業可以做出的貢獻，「如果我選擇當律師，我只能服務很有限的幾個人；如果當外交官，當時日本的國力不強，很難對國際和平或國際事務做出太多貢獻；如果當醫生，而且能找到好的治療方式的話，就可以造福好幾百萬人。所以我最後選擇當一名醫生，」本庶佑說。
十八歲時，本庶佑如願進入到京都大學醫學院就讀。在那裡，他遇到了一群熱愛研究的同伴。他們經常一起研究科學問題，甚至人生問題。本來只有模模糊糊的企圖心想要當醫生的本庶佑，這回，又開始從重新思考：「我真的想當個執業醫生嗎？」
「如果我成為一名執業醫生，每天看病人，我可能會覺得很無聊。因為大部分的病人都只是感冒、頭痛，不是什麼新的疾病，我的工作會變成例行公事。如果我可以做科學研究，每天的工作就會更有挑戰、更刺激，」讀大一時，本庶佑在心中反反覆覆思量自己接下來要走的路。
後來，他讀到柴谷篤弘教授所寫的《生物學的革命》，書中提到：「不久之後， 就能像用外科手術一樣治療異常的DNA。」本庶佑深受啟蒙，因為當時DNA的研究仍處於萌芽期，還是以大腸菌來研究，柴谷篤弘卻已經明確地將生物學和醫學結合，非常有創見。
柴谷篤弘是本庶佑父親的同事，當本庶佑正在苦思柴谷篤弘的理論是否可行的時候，柴谷篤弘剛好來拜訪父親，並且交給本庶佑一本厚厚的《分子遺傳學論文選集》。本庶佑咬緊牙關把這本非常艱澀難懂的書拜讀完畢，並且參加了柴谷教授在京都大學開設的、在當時尚屬相當前衛的分子生物學研討會。慢慢地，本庶佑的醫學夢，開始轉向分子生物科學。
一九六七年，本庶佑進入博士課程。他遇到了兩位影響他很深的導師，一位是以NAD+（異檸檬酸脫氫酶）的合成研究著名的早石修教授，另一位是以蛋白質合成著名的西塚泰美教授。在這兩位教授的指導下，本庶佑建立了紮實的研究能力。尤其是西塚泰美，他經常提醒本庶佑：「不要完全相信出版的論文，所有的論文都有可能是錯誤的。你必須要有懷疑精神，要自己去發現其中的問題。」
完成博士論文的本庶佑，一心希望能將他的研究應用到醫療上。但是在當時還沒有DNA的轉換技術，也沒有複製技術，想要進行脊椎動物的遺傳基因研究仍然非常困難。
本庶佑興起了到美國深造的念頭。他找到當時正在美國卡內基研究所進行青蛙核糖體遺傳基因研究的唐．布朗（Donald Brown） 教授，投入他的門下。唐．布朗是本庶佑在美國遇到的一位重要的人生導師，他除了引領本庶佑進入免疫學的領域，更時常提醒他做研究的時候必須要能夠問出大問題（big question），不要迷失在小路上。
在美國進行了四年的研究之後，本庶佑決定回到日本一展長才。在早石修教授的引介下，他前往東京大學醫學部擔任助理教授。原本以為只要提出夠水準的研究，就可以大展身手。可是沒想到回到日本，卻發現不但沒錢、沒器材、連材料也沒有。
本庶佑是懷抱著開創日本基因研究的夢想回來的，儘管眼前幾乎一無所有，但他立刻捲起袖子，自己製作各種實驗器材，還到處尋找實驗時所需的小鼠。最後終於找到小鼠，但因為無法寄送，本庶佑親自過去購買。當時一隻小鼠要價一千日圓，非常貴重。本庶佑仔細的將十隻小鼠裝在紙盒中，像禮品一樣用敷巾包好，小心翼翼地坐電車回來。
除了東奔西跑，克勤克儉的進行實驗，本庶佑也抓緊時間，在腦袋裡不斷的構思各種研究可能。
他在東京大學研究時，通勤就要搭一個半小時的電車。為了要有效利用時間，他都會選擇較晚而且有位子的時段搭車。他就利用在電車上的這段時間，集中精神整理資料，許多研究時遇到的困惑，常常在晚間的電車上想通。第二天一大早，本庶佑就會迫不及待的奔向實驗室裡進行研究。
沒天沒夜地研究雖然辛苦，但本庶佑最後終於能在許多如《美國科學院院報》（PNAS）、《自然》（Nature）等重要期刊發表有關抗體的遺傳基因研究結果。三十七歲的時候，本庶佑已經是大阪大學的教授，他提出的「類別轉換模型」（Class Switching Model）為他奠定了基因研究的學術地位，他也成為日本各界看好的明日之星。
四十二歲時，本庶佑成為京都大學醫學院教授，並在那裡建立基因實驗室。就是在京都大學期間，本庶佑的研究團隊無意間發現了PD-1分子，推動了癌症免疫療法的快速進展。
他除了持續進行著他最著迷的基因研究，也不斷的寫書、培育人才。他的學生清水章回憶，「本庶教授的實驗室給人耳目一新的感受，特別是討論時會非常白熱化，都讓我有著置身於最新技術的感動。」清水章印象最深的是本庶佑對人總是觀察入微，時常特別走近學生，告訴他們許多小小的建議。
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