При университете он построил лабораторию, в которой вместе со студентами изучал физиологические и условные реакции собак, активность коры головного мозга, разрабатывал новые хирургические методы, способствовал развитию исследовательского метода в целом. Он был не очень доволен классическими стратегиями проведения исследований. Келлог пытался внедрять совершенно новые правила для развития науки. Помимо собак Келлог работал с целым зоопарком — от водяных змей до дельфинов. В его эксперименты попадали крысы, мыши, птицы и, наконец, обезьяны. Именно эксперимент Келлога над своим сыном подарил ему известность в научном мире.

После приезда в Индиану и постройки лаборатории Найлс стал планировать и разрабатывать долгосрочное исследование, на тему сравнения психологии приматов и человека. Ученый также был заинтересован в доказательстве или опровержении факта влияния природы и воспитания на поведение живого существа. В связи с этим, в своей статье «Очеловечивание обезьяны» он описал необходимость сравнительных исследований человека и примата. В этой же статье он предложил вырастить детеныша шимпанзе вместе со своим сыном. Келлог был вдохновлен на это не только своим революционным умом и активными студенческими движениями.

Когда он жил и получал образование в Колумбии, была выпущена статья про детей-волков из Индии. Ученый говорил, что эти дети и им подобные рождаются с нормальным интеллектом, иначе вероятность того, что они выживут во враждебной среде, была бы минимальной. Однако дети научились жить, как волки, потому что ситуация потребовала от них этого. Келлог понимал и принимал силу влияния раннего опыта и существование критических периодов в развитии, а также утверждал, что проблема с очеловечиванием одичалых детей заключалась в трудностях изменения привычек, усвоенных в раннем возрасте. Но Найлс был хорошим, не жестоким ученым. Он понимал, что брать человеческого ребенка и помещать его в контролируемую, но все-таки подобную дикую среду, было бы не этично.

Поэтому единственным другим способом проверить этот вопрос об окружающей среде и наследственности представлялось следующее: взять дикое животное и поместить его в цивилизованную среду человеческого дома. Возникала некоторая трудность с поиском необходимой породы, ведь обезьяна должна была всегда рассматриваться как «человек». Отношение всех жителей дома к обезьяне не должно было отличаться от отношения, например, к Дональду.

Роберт Йеркс — американский приматолог, этолог и психолог, помог Келлогу осуществить его план. Келлог получил стипендию Совета по социальным наукам для работы на Антропоидной станции Йельского университета во Флориде, чтобы подготовиться к домашнему исследованию в 1931 году. Тем летом семья Келлогов переехала во Флориду. В это время Найлс узнал, что аспирант Карлайл Якобсен уже опередил его, взяв на попечение обезьяну с момента рождения, и воспитывающий ее уже год. Исследования бы так и не случилось, но шустрый аспирант не предпринимал никаких попыток «очеловечить» обезьяну, а вот в планах Келлога было именно это.

Вскоре после прибытия, к семейству Келлогов присоединилась самка детеныша шимпанзе по имени Гуа, ей было 7,5 месяцев. Дональду на тот момент исполнилось 10 месяцев. По условиям эксперимента к мальчику и обезьяне относились максимально одинаково: их одевали, купали, кормили и обучали идентичным образом. Келлог проводил ряд тестов, чтобы как можно чаще измерять развитие малышей. Девять месяцев подряд он поддерживал идентичные условия выращивания для Дональда и Гуа и использовал задания для сравнительного тестирования младенцев.

Как и следовало ожидать, Гуа росла быстрее Дональда и даже научилась некоторым формам поведения раньше мальчика. Гуа казалась более зависимой от человеческого взаимодействия и поддержки, чем Дональд. Хотя шимпанзе довольно быстро прогрессировала в усвоении обычного человеческого поведения, она не соответствовала всем ожиданиям Келлога, по той причине, что не делала никаких попыток общаться с помощью человеческого языка: «Гуа, с которой обращались как с человеческим ребенком, вела себя как человеческое дитя, за исключением тех случаев, когда строение ее тела и мозга препятствовали ей».

Келлог сформулировал суть исследования как событие, объясняющее взаимодействие наследственности и окружающей среды. В ходе исследования были продемонстрированы пределы наследственности, которые абсолютно не зависели от окружающей среды. Как было сказано ранее, обезьянка никогда не отвечала ожиданиям Келлога относительно попыток заговорить, поскольку она никогда не была способна имитировать человеческие звуки.

Ну а что же мальчик? Того же самого нельзя было сказать о Дональде, поскольку он с удовольствием имитировал несколько вокализаций Гуа, включая просьбы о еде, а также звуки, которые издавала обезьянка, когда еда была в поле зрения или находилась совсем рядом. Гуа стала Дональду родной сестрой, младшей, пушистой сестрой. Гуа в итоге научилась держать ложку в руках и немного понимать человеческую речь. Дональд же стал многое повторять за своей новой родственницей. Он прыгал, пищал и кусался. Помимо этого, его словарный запас, как и запас Гуа совершенно не пополнялся. К моменту окончания эксперимента он знал только три слова.

После девяти месяцев работы исследование закончилось весной 1932 года. Это было на четыре года и три месяца меньше его первоначального плана, задуманного на пять лет. Гуа осталась во Флориде, а Келлоги вернулись в Индиану. Сутью эксперимента был вопрос: каким человеком может стать шимпанзе, выращенная в человеческой среде? Выяснилось, что ответ на него дать невозможно.

Часть результатов эксперимента была представлена на ежегодном собрании Средне-Западной психологической ассоциации. Кроме этого, Найлс вместе с женой Луэллой начали писать книгу о происходивших в их доме событиях. Эта книга «Обезьяна и ребенок» была опубликована в 1933 году, и в мелких подробностях описывает изменения обезьяны и их сына. СМИ с радостью опубликовали статьи и фрагменты книги. New York Times и Science News Letter посчитали, что материал может понравиться широкой публике.

Несмотря на энтузиазм Келлога и его помощника Роберта по поводу психологического, антропологического и биологического значения этого исследования, оно не избежало критики. Укоры исходили от коллег, общественности и даже от Луэллы. Некоторые заявили, что этот проект является бесчеловечным, в то время как другие указали на нежелательность использования ребенка в качестве объекта эксперимента в течение длительного периода времени. Другие рассуждали о психике животного, не одобряли отделение Гуа от ее матери и других шимпанзе. Кроме того, поскольку исследование было написано в дружественной для общественности форме и подхвачено средствами массовой информации, некоторые критики охарактеризовали его как исследование, направленное на приобретение популярности и известности, назвали его дешевой рекламой.

Тем не менее, это не стало концом карьеры для Келлога. В 1963 году он официально ушел на пенсию из штата Флорида, хотя несколько раз возвращался как приглашенный и уважаемый преподаватель. В 1962 году он открыл свою ассоциацию со Стэнфордским исследовательским институтом в Калифорнии, где создал два крупных исследовательских центра. Один из них финансировался Национальным Научным фондом и включал исследования гидролокатора у морских львов. Второй финансировался Национальными институтами здравоохранения и изучал «системы гидролокации и эхолокации» для слепых людей. Гранты предназначались для долгосрочных проектов.