Pada tahun 1960, Temin menjadi profesor muda di Universitas Wisconsin, Madison, di McArdle Laboratory for Cancer Research Selama bertahun-tahun, ia telah memegang sejumlah kedudukan di perguruan tinggi, termasuk profesor madya, profesor penuh, profesor Yayasan Penelitian Alumni Wisconsin untuk penelitian kanker, serta profesor Kelompok Kanker Amerika untuk onkologi virus dan biologi sel (pada tahun 1974).
Temin menemukan transkriptase berkebalikan pada tahun 1970-an di Universitas Wisconsin, Madison, la memenangkan penghargaan Nobel dalam bidang fisiologi atau kedokteran pada tahun 1975 bersama dengan David Baltimore dan Renato Dulbecco berkat penggambaran cara virus tumor beraksi pada materi genetik sel melalui transkriptase berkebalikan.
Hal tersebut menjungkirkan kepercayaan umum saat itu dari “Dogma Pusat” biologi molekuler yang dinyatakan oleh penerima Nobel bernama Francis Harry Compton Crick, salah satu penemu struktur DNA (bersama dengan James D. Watson dan Rosalind franklin).
Temin menunjukkan bahwa virus tumor tertentu membawa kemampuan enzimatik untuk membalikkan aliran informasi dari RNA kembali ke DNA menggunakan transkriptase berkebalikan. Penemuan transkriptase berkebalikan ini termasuk salah satu yang terpenting pada masa kedokteran modern. Sebab, transkriptase berkebalikan ialah enzim utama dalam beberapa penyakit yang tersebar luas pada manusia, seperti HIV, virus yang menyebabkan AIDS, dan Hepatitis B.
Transkriptase berkebalikan juga merupakan unsur penting pada beberapa teknik biologi molekuler dan kedokteran diagnostik, seperti reaksi berantai polimerase. Temin merupakan seorang penganjur anti rokok jangka panjang, namun ia meninggal pada usia 59 tahun pada 9 Februari 1994 akibat kanker paru-paru, meskipun ia tidak pernah merokok.