César Milstein se graduó de la Universidad de Buenos Aires y realizó la tesis doctoral bajo la tutela del profesor Stoppani. De ahí pasó a formar parte del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica (Cambridge, Inglaterra) y obtuvo la doble ciudadanía argentina y británica.

En 1956 recibió un premio de la Sociedad Bioquímica Argentina por su trabajo en estudios cinéticos con la enzima aldehído deshidrogenasa.

Dos años después, financiado por el British Council, se incorporó al Departamento de Bioquímica de la Universidad de Cambridge en el Darwin College para realizar un doctorado con Malcolm Dixon sobre el mecanismo de activación del metal de la enzima fosfoglucomutasa. Durante este trabajo colaboró con Frederick Sanger, a cuyo grupo se unió con un nombramiento a corto plazo en el Medical Research Council.

En Cambridge se dedicó al estudio de las inmunoglobulinas, donde ahondó en el conocimiento de cómo el organismo produce los anticuerpos. Ahí, junto a Georges Köhler, desarrolló una técnica para sintetizar anticuerpos con idéntica estructura química, a los que denominaron anticuerpos monoclonales. Por este trabajo obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1984.