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Während ihrer Arbeiten in Oxford entdeckte Eccles 1951 zusammen mit seinen Kollegen, den britischen Physiologen Alan Lloyd Hodgkin (1914–1998) und Andrew Fielding Huxley (1917–2012), den elektro-physiologischen Mechanismus der postsynaptischen Hemmung der Erregungsübertragung: Der auf dem Zellfortsatz der motorischen Nervenzelle (Motoneuron) ankommende Impuls verursacht eine Erregung oder Hemmung, da an den Nervenfaserendigungen, den Synapsen, erregende oder hemmende chemische Substanzen, die so genannten Transmittersubstanzen, ausgeschüttet werden. Damit war die elektrische Erregungsübertragung zwischen den Nervenzellen an den Synapsen aufgeklärt. Für diese Arbeiten erhielt Eccles zusammen mit Hodgkin und Huxley im Jahre 1963 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie. In der Begründung des Nobelpreiskomitees hieß es: "Für ihre Entdeckung über den Ionen-Mechanismus, der sich bei der Erregung und Hemmung in den peripheren und zentralen Bereichen der Nervenzellmembran abspielt."
1984 erschien in Schweden in einer Ausgabe mit Marken zu "Nobelpreisträger für Physiologie und Medizin" auch eine Marke (MiNr 1312) zum Nobelpreis für Eccles, Hodgkin und Huxley. Im Markenbild werden die Vorgänge an den Nervenzellen dargestellt, passend zu den Erforschungen der drei Wissenschaftler.
