As suas pesquisas histopatológicas resultaram em profunda modificação do conceito anátomo-clínico da febre amarela. A descoberta do agente etiológico do tipo exantemático é a obra prima de Rocha Lima, que ainda estudou riquetsias, verruga peruana, das blastomicoses, da doença de Chagas, da poradenite e da febre hemoglobinúrica.

Após a formatura, Rocha Lima seguiu para a Alemanha, onde ampliou, sob a orientação de Ficker, os estudos de microbiologia e anatomia patológica, sob a orientação de Kaiserling e Orth. Regressou ao país dois anos mais tarde, quando colaborou intensamente com Oswaldo Cruz, entre 1903 a 1909. Trabalhou no Instituto de Medicina Tropical de Hamburgo. Em 1920 foi convidado para dirigir o Instituto Butantan e em 1927 interrompeu sua carreira como pesquisador para assumir a direção do Instituto Biológico a convite de Arthur Neiva. Em 1940, se aposentou. Seu falecimento ocorreu em 12 de abril de 1956, aos 76 anos.