En 1983, Milstein fue nombrado jefe y director de la División de Química, Proteínas y Ácidos Nucleicos de la Universidad de Cambridge. Por su trabajo en el desarrollo de anticuerpos monoclonales obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1984.
A pesar de que lo hubiera hecho enormemente rico, Milstein no registró ninguna patente por su laureado descubrimiento, pues pensaba que era propiedad intelectual de la humanidad y como tal lo legó. De acuerdo a sus convicciones, su trabajo carecía de interés económico y sólo poseía interés científico.
Falleció el 24 de marzo de 2002 en Cambridge, Inglaterra, víctima de una afección cardíaca, a los 74 años de edad.