À la fin du XIX siècle et au début du XX siècle, la tendance dans le domaine de la xénogreffe était à la technique développée dans les travaux de Charles-Édouard Brown-Séquard. En 1889, Voronoff s'injecta des tissus de testicules de chien et de cobaye sous la peau. Ces expériences n'eurent pas le résultat escompté qui était une augmentation artificielle des effets des hormones afin de retarder le vieillissement.
Ce fut le point de départ des expériences de Voronoff. Il croyait que des transplantations glandulaires produiraient des effets plus soutenus que de simples injections. La transplantation de glandes thyroïdes de chimpanzés sur des humains atteints de déficience thyroïdale comptait parmi les expériences qu'il réalisa dans cette optique. Plus tard, il pratiqua la transplantation de testicules de criminels exécutés sur des millionnaires, mais quand la demande fut trop importante, il dut utiliser des testicules de singe en remplacement.
Entre 1917 et 1926, Voronoff pratiqua plus de cinq cents transplantations sur des moutons, des chèvres et aussi un taureau, en greffant des testicules d'individus jeunes sur d'autres plus vieux. Les observations de Voronoff indiquèrent que ces transplantations redonnaient aux vieux animaux la vigueur des jeunes. Il considérait aussi la transplantation de glandes de singe comme un traitement efficace contre la sénilité.
Sa première transplantation officielle d'une « glande de singe » dans un être humain eut lieu le 21 juin 1920. De fines tranches (de quelques millimètres de largeur) de testicules de chimpanzés et de babouins étaient implantées dans le scrotum du patient, la finesse des échantillons de tissus étrangers leur permettant de fusionner avec le tissu humain. En 1923, 700 des plus grands chirurgiens du monde, au Congrès International des Chirurgiens à Londres, en Angleterre, applaudirent le succès de son travail dans le rajeunissement d'hommes âgés.
Dans son livre Rajeunissement par greffe (Rejuvenation by grafting) (1925) Voronoff décrit ce qu'il croit être certains effets potentiels de sa chirurgie. Bien que n'étant « pas un aphrodisiaque » (« not an aphrodisiac »), il admet que le désir sexuel peut alors être augmenté. Parmi les autres effets potentiels de sa chirurgie l'on peut compter une meilleure mémoire, la capacité de travailler durant une période plus longue, la disparition probable du besoin de porter des lunettes (due au renforcement des muscles des yeux), et l'augmentation de l'espérance de vie. Voronoff supposa aussi que la chirurgie par greffe pourrait bénéficier aux malades atteints de « dementia praecox », la maladie mentale connue de nos jours sous le nom de schizophrénie.
Le traitement aux « glandes de singe » de Voronoff était en vogue dans les années 1920. Le poète E. E. Cummings parla, dans une chanson, d'un « célèbre docteur qui insère des glandes de singe dans des millionnaires » (« famous doctor who inserts monkeyglands in millionaires ») et le chirurgien chicagoain Max Thorek, qui a donné son nom au Thorek Hospital and Medical Center, se rappela que « dans les soirées élégantes et les apéritifs chics, ainsi que lors des tranquilles rassemblements de l'élite du milieu médical, les mots « glandes de singe » étaient sur toutes les lèvres » (« fashionable dinner parties and cracker barrel confabs, as well as sedate gatherings of the medical élite, were alive with the whisper - 'Monkey Glands ») La chanson d'Irving Berlin Monkey-Doodle-Doo, qui apparaît dans la bande originale du film The Coconuts des Marx Brothers, contient le vers « Si tu es trop vieux pour danser/Cherche-toi une glande de singe » et dans l'histoire de Sherlock Holmes The Adventure of the Creeping Man par Sir Arthur Conan Doyle, toute l'intrigue a pour objet un professeur qui s'injecte des glandes de singe.
Au début des années 1930, plus de 500 hommes avaient été traités en France par sa technique de rajeunissement, et des milliers d'autres encore de par le monde, à tel point qu'une clinique dédiée fut construite à Alger. Harold McCormick, président de la International Harvester Company, et le vieillissant premier ministre de Turquie comptaient parmi les personnalités qui subirent cette chirurgie. Pour faire face à la demande d'opérations, Voronoff bâtit sa propre ferme à singes à Menton, et employa un ancien gardien de cirque pour la gérer. Lily Pons, coloratura soprano américaine née en France, visitait fréquemment la ferme. Avec sa richesse grandissante, Voronoff occupait la totalité du premier étage d'un des hôtels les plus chers de Paris, entouré d'une escorte de chauffeurs, valets, secrétaires personnels et de deux maîtresses.
Plus tard, Voronoff transplanta des ovaires de singes dans des femmes. Il essaya aussi l'expérience inverse, c'est-à-dire la transplantation d'un ovaire humain dans un singe femelle, puis il essaya d'inséminer du sperme humain dans le singe. En conséquence de la célébrité de cette expérience, un roman, Nora, la guenon devenue femme, fut écrit par Félicien Champsaur.
