Năm 1902 Alexis Carrel đã đi từ hoài nghi về những sự kiện Đức Mẹ Maria hiện ra cùng những phép lạ được thuật lại ở Lộ Đức tới niềm tin vào những sự chữa lành bệnh cách linh thiêng, sau khi đã trải nghiệm việc lành bệnh của Marie Bailly mà ông không thể giải thích được.[20] Ngày 25.5.1902 Carrel được một bạn đồng nghiệp nhờ thay thế ông ta tháp tùng đưa toán bệnh nhân đi xe lửa từ Lyon tới Lourdes để cầu nguyện xin Đức Mẹ chữa bệnh. Trên chuyến xe lửa, Carrel đã gặp Marie Bailly, một cô gái 23 tuổi, bị bệnh "viêm lao màng bụng" (tuberculous peritonitis) ở giai đoạn chót, mà giới y khoa ở Lyon đã bó tay, chỉ còn chờ chết. Tàu tới Lourdes lúc trưa ngày 27.5, Bailly vẫn trong tình trạng thoi thóp. Lúc 2 giờ ngày 28.5 Bailly được đưa tới bên suối nước, người ta lấy nước suối lau bụng cô 3 lần; khoảng 4 giờ sáng cùng ngày thì bụng cô tự nhiên xẹp dần và cô được lành bệnh. Chứng kiến vụ lành bệnh cách lạ lùng này, Alexis Carrel đã không bác bỏ một sự giải thích việc lành bệnh do siêu nhiên và kiên quyết khẳng định niềm tin của mình, thậm chí còn viết một cuốn sách mô tả kinh nghiệm của mình,[21], mặc dù nó không được xuất bản cho đến 4 năm sau khi ông chết. Bị giới khoa học Pháp chế giễu, nghi kỵ và cảm thấy mình không có tương lai trong giới y học tại Pháp, ông di cư sang Canada với mục đích trồng trọt và chăn nuôi gia súc. Sau thời gian ngắn ở Canada, ông đã nhận một việc làm ở Đại học Chicago[9], rồi 2 năm sau làm việc ở Viện nghiên cứu Y học Rockefeller.