Ángeles Alvariño se trasladó a los Estados Unidos en 1950, donde comenzó a trabajar en el Instituto de Investigación Pesquera de Woods Hole en Massachusetts, un importante centro de investigación científica. Fue una de las primeras mujeres en unirse a este prestigioso instituto. Su trabajo se centró en la biología marina, particularmente en el estudio de las especies marinas y las poblaciones de peces, así como en los ecosistemas marinos de los océanos Atlántico y Pacífico.
A lo largo de su carrera, Alvariño desarrolló técnicas innovadoras para estudiar la vida marina a gran escala. Fue una de las primeras en utilizar la tecnología de los barcos oceanográficos para explorar los ecosistemas marinos a gran profundidad. Su investigación contribuyó significativamente al conocimiento de las especies planctónicas y la biología de los océanos.
En 1953, Ángeles Alvariño se convirtió en la primera mujer científica aceptada a bordo de un buque oceanográfico británico, el RRS Discovery II, rompiendo una barrera importante en un campo dominado por hombres. En ese mismo periodo, obtuvo una beca de investigación para trabajar en la Scripps Institution of Oceanography en California, una de las instituciones más prestigiosas del mundo en el estudio del océano. Su llegada a Estados Unidos marcó el inicio de la etapa más productiva de su carrera científica.
Posteriormente se trasladó al Woods Hole Oceanographic Institution en Massachusetts, y finalmente al Southwest Fisheries Science Center, parte del National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), donde trabajaría durante décadas. En estos centros, desarrolló investigaciones clave sobre zooplancton, uno de los elementos fundamentales de las cadenas tróficas marinas.