En 2008, se trasladó al laboratorio de David Lyden, pionero en el análisis del nicho metastático (partes del tejido sano donde se producirá metástasis), en el Weill Cornell Medical College de Nueva York (EE.UU.), donde publicó un estudio de referencia y pionero sobre el papel de los exosomas en la formación de este nicho. Los exosomas son vesículas que liberan las células tumorales y que transmiten información biológica al entorno para favorecer la aparición de la metástasis. En 2013, Peinado inició su investigación independiente como Assistant Professor en la División de Hematología-Oncología del esta institución.

En enero de 2015, se incorporó como jefe del Grupo de Microambiente y Metástasis en el Departamento de Oncología Molecular del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO). Sus líneas de investigación se centran en el análisis de los mecanismos implicados en la comunicación del tumor con su microambiente durante la metástasis, con el objetivo de desarrollar nuevos biomarcadores y dianas terapéuticas que puedan bloquearla. Posee un contrato Ramón y Cajal y recientemente le ha sido concedida una WHRI Academy Fellowship para el retorno de investigadores europeos.

Los trabajos de Héctor Peinado han originado tres patentes que están en negociaciones con el organismo competente. Es autor de 40 artículos científicos con más de 7.200 citaciones. En EE.UU., ha conseguido proyectos por concurrencia competitiva del Instituto Nacional de Salud (NIH), el Departamento de Defensa, The Feldstein Foundation, The Mathew Larson Foundation, The Starr Cancer Foundation y la Melanoma Research Alliance. En España, del Ministerio de Economía y Competitividad y de la Asociación Española Contra el Cáncer (AECC).