Al graduarse con los más altos honores en 1888, Keith aceptó un puesto de oficial médico en una compañía minera en Siam (Tailandia). Aunque su intención original había sido usar esto como una oportunidad para recolectar especímenes botánicos, se encontró más interesado en los monos y simios locales. Fue en gran medida gracias a sus observaciones de campo y a sus estudios anatómicos de los primates autóctonos de Siam que su incipiente interés por la evolución humana y la antropología física en general comenzó a tomar forma. Cabe señalar, sin embargo, que los especímenes botánicos que recogió mientras estaba en Siam fueron utilizados más tarde por H. N. Ridley en su amplia labor sobre la flora de la península malaya (1922-1925).
Después de tres años en Siam, Keith regresó a casa, y en 1894 obtuvo el título de doctor en medicina de la Universidad de Aberdeen por una tesis titulada “La miología de los catarros”: Un estudio sobre la evolución”. También aprobó el examen para la beca del Colegio Real de Cirujanos. Armado con su MD y FRCS ganó el nombramiento como demostrador principal en anatomía (1895) en la Escuela de Medicina del Hospital de Londres. En 1908 fue elegido como conservador del Real Colegio de Cirujanos, y poco después se convirtió en presidente del Real Instituto Antropológico de Gran Bretaña (1912-1914); miembro de la Real Sociedad (1913); y Profesor Fulleriano de Fisiología en la Real Institución (1917-1923). Fue durante su último nombramiento que recibió el título de caballero (1921). En 1927 fue elegido presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, y tres años más tarde su carrera profesional culminó con su elección como rector de su alma mater, la Universidad de Aberdeen (1930-1933).
Poco después de tomar su puesto en el Hospital de Londres, Keith comenzó a trabajar en Man and Ape, un libro encargado por el editor John Murray. Entre 1897 y 1900 Keith trabajó en lo que él consideró su “obra maestra”— una compilación de la información sobre la anatomía comparativa de los primates vivos y fósiles que reunió a partir de su propia investigación y de las descripciones anatómicas publicadas. Aunque no se ha publicado, la obra es importante como documento histórico, ya que constituyó la base de gran parte de sus contribuciones posteriores a esta área de investigación, así como un resumen de lo que se conocía entonces sobre los simios y la anatomía comparativa humana.
en el Colegio Real de Cirujanos que comenzó a prestar toda su atención a las cuestiones de la evolución humana y la diversificación racial.
Durante la Primera Guerra Mundial Keith se ocupó de problemas de anatomía quirúrgica relacionados con heridas de guerra y publicó un número de artículos sobre este tema, así como un libro, Menders of the Maimed (1919), que es una crítica histórica de la cirugía ortopédica. Fue durante este período que dio las conferencias juveniles de Navidad en la Institución Real; estas conferencias fueron publicadas más tarde bajo el título Engines of the Human Body (1919), una segunda edición de las cuales apareció en 1925.
Después de la guerra los intereses de Keith se centraron cada vez más en temas generales de la historia de la medicina y en consideraciones un tanto especulativas de los procesos evolutivos implicados en la aparición del moderno Homo sapiens. Aunque se ganó una reputación internacional como uno de los principales estudiantes de la evolución humana y fue un autoproclamado seguidor de Darwin, su trabajo estaba de hecho muy alejado de la visión mecanicista del mundo de Darwin. Rechazando el papel del azar en la evolución, Keith adoptó un punto de vista claramente vitalista notablemente similar al de Ernst Haeckel, a quien, por cierto, admiraba sin crítica. Keith desarrolló la tesis de que el espíritu del nacionalismo es un factor potente en la diferenciación evolutiva de las razas humanas. Sus opiniones sobre la raza, representadas en su libro “Una Nueva Teoría de la Evolución Humana” (1948), fueron objeto de considerable debate y crítica en su momento y de un amplio repudio más tarde.
Quizás la más duradera de las muchas obras que Keith publicó durante las últimas décadas de su vida es su exhaustivo estudio de los restos de homínidos recuperados de las cuevas del Monte Carmelo (1929-1934), cerca de Haifa, en lo que entonces era Palestina. Los resultados de este estudio se resumen en un tratado del que es coautor junto con Theodore D. McCown, publicado bajo el título The Stone Age of Mount Carmel: the Fossil Remains from the Levalloiso-Mousterian (1939).