Khi là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học John Hopkins, Semenza nghiên cứu biểu hiện gen trong cơ thể những động vật bị biến đổi gen để xác định sự ảnh hưởng của từng đoạn gen khác nhau đến việc sản xuất erythropoietin (EPO), một chất đóng vai trò quan trọng khi cơ thể phản ứng với việc thiếu hoặc ít oxy trong máu. Ông đã giúp xác định được những đoạn gen giúp tổ hợp protein loại HIF. Nghiên cứu của ông cho thấy rằng protein HIF bao gồm 2 phần: HIF-1β, một cấu trúc ổn định trong hầu hết các điều kiện, và HIF-1α, một cấu trúc bị thoái hóa khi nồng độ oxy trong cơ thể ở mức bình thường. HIF-1α sau này được chứng minh là một yếu tố quan trọng trong việc sản xuất erythropoietin khi mà giảm mức HIF-1α dẫn đến dị dạng mạch máu và giảm nồng độ EPO. Semenza nhận thấy rằng protein loại HIF tồn tại nhiều trong cơ thể động vật thí nghiệm và sản xuất quá mức HIF có thể dẫn đến ung thư.

Nghiên cứu của Semenza có nhiều sự tương đồng với 2 nhà khoa học khác là William Kaelin Jr. và Peter J. Ratcliffe trong việc xác định cơ chế phát hiện thay đổi nồng độ oxy trong tế bào cũng như sự ảnh hưởng của HIF và nhiều yếu tố khác đến việc sản xuất EPO. Những nghiên cứu đã giúp phát triển nhiều loại thuốc khác nhau giúp điều tiết các quá trình sản xuất HIF hay EPO trong cơ thể bệnh nhân thiếu máu hoặc suy thận.