霍伊尔的影响，支持稳恒态宇宙学。1962年获博士学位。1963年威尔逊转往贝尔实验室设在新泽西州霍姆代尔的研究中心，与彭齐亚斯进行合作，于1964年使用一具为早期通讯卫星设计的天线发现了宇宙微波背景辐射。威尔逊致力于使用射电天文的方法研究星际分子、测定星际物质中各种同位素的相对丰度。1976年 威尔逊成为贝尔实验室无线电物理研究部的主任，1978年与彭齐亚斯一起获得诺贝尔物理学奖。