Gerhard Armauer Hansen jobbet iherdig med de syke, og i 1869 fikk han Skjelderups gullmedalje for avhandlingen "Bidrag til Lymphekjertlernes normale og pathologiske Anatomi". I 1870–71 gjennomførte han studieopphold i Bonn og Wien, for å sette seg nærmere inn i mikroskopi og vevenes oppbygging. På denne tiden arbeidet Louis Pasteur i Paris og andre mikrobiologer aktivt med å kartlegge sykdommer som skyldtes ulike bakterier. 

Armauer Hansen giftet seg 1873 med overlege Danielssens datter Fanny, men hun døde av tuberkulose allerede i oktober samme år. To år senere giftet han seg på ny, med enken Hanne Tidemand som hadde to små barn. De fikk en sønn, Daniel Cornelius Armauer Hansen (1876–1950), som også ble lege på Lungegårdshospitalet, etter at det var gjort om til sykehus for tuberkuløse.

Etter hjemkomsten til Bergen 1871 arbeidet Armauer Hansen videre med leprasykdommen. Han reiste også rundt på øyene utenfor Bergen og undersøkte pasienter. På grunnlag av nøyaktige nedtegnelser kunne han fastslå at alle pasientene på et eller annet tidspunkt hadde vært i kontakt med andre leprapasienter. Sannsynligheten for at det var en smittsom sykdom var derfor stor. Det ble skaffet penger til et nytt og bedre mikroskop, og en februarkveld i 1873 satt Armauer Hansen på Pleiestiftelsen og mikroskoperte. I materialet fra en pasient fikk han plutselig øye på noen stavformede legemer, som han identifiserte som bakterier. Han skrev en større rapport, som ble trykt på norsk. 

Armauer Hansen forsøkte nå å farge leprabasillene. Han prøvde også å pode basillene på forskjellige dyr, men uten hell. I 1879 kom den unge tyske bakteriologen Albert Neisser til Bergen, for å studere den spedalske sykdom. Armauer Hansen viste ham sine preparater med basillene, og de diskuterte også problemene med å få dem farget. Neisser bad om å få med seg noen preparater, og etter hjemkomsten lyktes det ham å farge dem ved bruk av noen nye fargereaksjoner, som var utviklet i Tyskland. Han publiserte straks resultatene i et tysk fagtidsskrift, men uten å nevne Armauer Hansen, selv om han skrev at han hadde skaffet seg sitt materiale i Bergen.

Armauer Hansen skrev nå artikler om sin oppdagelse, som ble publisert på engelsk, tysk og fransk, og det ble en heftig strid om prioritet på oppdagelsen. Noen tyske forskere forsøkte å kalle leprabasillen for Neissers basill. Den kjente patologen Rudolf Virchow ble også involvert i saken. Etter en grundig gjennomgang konkluderte han med at det var Armauer Hansen som burde ha prioritet på oppdagelsen, og etter det har mange kalt leprabasillen for Hansens basill, selv om det offisielle navnet nå er Mycobacterium leprae.

Riktignok hadde Armauer Hansen påvist basiller i materialet fra knuter hos leprapasientene, men noe annet var det å bevise at disse var årsak til sykdommen. I et forsøk på å skaffe bevis, podet Armauer Hansen materiale fra en annen leprapasient på en 32 år gammel kvinnelig pasient på Pleiestiftelsen uten hennes samtykke. Inngrepet forårsaket ikke noen skade, men kvinnen klaget over måten hun var blitt behandlet på og i mai 1880 ble Armauer Hansen fradømt sin stilling som lege ved Pleiestiftelsen, men han fikk beholde sin stilling som overlege for den spedalske sykdom i Norge (som han hadde vært konstituert i siden 1875), og denne hadde han til sin død. Dommen var historisk på flere måter:

- Det var første gang det ble avsagt en dom om eksperimenter på         mennesker.

- Det var også høyst uvanlig å dømme en høytstående embetsmann for       noe som mange betraktet som en mindre forseelse.

- Samtidig var dommen med på å skape presedens for vern av pasienter   mot uhjemlede inngrep.

Armauer Hansen fikk nå arbeidsplass på Bergens Museum, og her arbeidet han i seks år. 1888 foretok han en studiereise til USA for å granske lepra hos innvandrere fra Norge. Han fortsatte også arbeidet sitt som overlege for den spedalske sykdom.