В 1949—55 гг. работал в Стоматологическом институте (Ленинград), в 1955—60 гг. — в институте нормальной и патологической физиологии АМН СССР (Москва), с 1960 году— в институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР (с 1963 — заведующий лабораторией физиологии питания).
В 1958г. А.М. Уголев сделал эпохальное научное открытие - он открыл мембранное пищеварение - универсальный механизм расщепления пищевых веществ до элементов, пригодных к всасыванию. Предложил трехзвенную схему деятельности пищеварительной системы (полостное пищеварение — мембранное пищеварение — всасывание), экскреторную теорию происхождения внешней и внутренней секреции, теорию пищеварительно-транспортного конвейера, метаболическую теорию регуляции аппетита. Впервые осуществил полное удаление двенадцатиперстной кишки в эксперименте, что привело к обнаружению непищеварительных гормональных эффектов кишечной системы.
Открытие А.М. Уголевым пристеночного пищеварения является событием мирового значения, которое преобразило представления о пищеварении как двухэтапном процессе в процесс трехэтапный; оно изменило стратегию и тактику диагностики и лечения в гастроэнтерологии. Труды Александра Михайловича Уголева явились основой понимания морфо-функциональной организации пищеварения, непременным элементом учения о рациональном питании, теоретической базой лечебного питания, его теории – сбалансированного и адекватного питания, учения о питании человека и животных, составили основу новой науки – трофологии, наполненной глубокими концептуальными представлениями о питании от уровня клетки до целостного организма.
Концепция А.М.Уголева о функциональных блоках, учитывающая наличие H?-гистаминовых рецепторов не только в обкладочных клетках желудка, но и в клетках печени, сердца, нервной ткани и даже в лимфоцитах, позволила объяснить механизм нежелательных эффектов H?- блокатора циметидина: нервные и психические расстройства; нарушения гормональных функций, в том числе функций половых желез; опухоли; гиперпролактинемию; гинекомастию; геморрагию; нефриты; нарушение иммунных систем.
С 1966 г. Александр Михайлович становится членом-корреспондентом АН СССР, основал и руководил академической школой-семинаром "Современные проблемы физиологии и патологии пищеварения". Член Международной академии астронавтики.
Награды и звания: в 1982 г. - академик АН СССР, номинант на Нобелевскую премию по физиологии и медицине. В 1990 г. награжден Золотой медалью им. И. И. Мечникова, медалью Гиппократа, орденами Трудового Красного Знамени, Дружбы народов.