En 1905, Levene fue nombrado director del laboratorio de bioquímica en el Rockefeller Institute of Biochemistry. Pasó el resto de su carrera en este instituto, y fue allí donde descubrió los principales componentes del ADN.
En 1909 Phoebus Levene identificó la ribosa, que recibe su nombre del Rockefeller Institute of Biochemistry, y más adelante la desoxirribosa en 1929, componente fundamental del ADN. Pero Levene no solo identificó los componentes del ADN, sino que también demostró que los componentes estaban unidos entre sí de la forma fosfato-azúcar-base para formar unidades que denominó nucleótidos.
Sin embargo, sus ideas sobre la estructura del ADN eran en gran parte erroneas, ya que creía que había sólo cuatro nucleótidos en cada molécula. Incluso declaró que el ADN no podía almacenar el código genético, ya que su estructura química era demasiado simple.
A pesar de todo, sus descubrimientos fueron la base fundamental para el trabajo posterior que determinó la estructura completa del ADN. Levene murió en 1940, antes de que el verdadero significado de ADN se hizo evidente.
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