הוא שיתף פעולה עם המתמטיקאי ויליאם בוסרט (Bossert) וגילה את הטבע הכימי של תקשורת נמלים באמצעות פרומונים. בשנות ה-60 שיתף פעולה עם המתמטיקאי והאקולוג רוברט מקארתור בפיתוח התאוריה של שיווי המשקל של המינים. בשנות ה-70 הוא ודניאל ס' סימברלוף בדקו תאוריה זו על איי מנגרובים זעירים בפלורידה קיז. הם חיסלו את כל מיני החרקים באזור קטן וצפו באכלוסו מחדש על ידי מינים חדשים. ספרם של וילסון ומקארתור Theory of Island Biogeography הפך לטקסט אקולוגי מכונן.
ב-1971 פרסם וילסון את הספר "חברות החרקים", על הביולוגיה של חרקים חברתיים כמו נמלים, דבורים, צרעות וטרמיטים. ב-1973 מונה לאוצר החרקים במוזיאון לזואולוגיה השוואתית. ב-1975 פרסם את הספר סוציוביולוגיה: הסינתזה החדשה (Sociobiology: The New Synthesis) בו יישם את התיאוריות שלו לגבי התנהגות חרקים על בעלי חוליות, ובפרק האחרון, על בני אדם. הוא שיער שנטיות שהתפתחו והועברו בתורשה אחראיות לארגון החברתי ההיררכי בקרב בני אדם. ב-1978 פרסם את ספרו On Human Nature, שעסק בתפקידה של הביולוגיה באבולוציה של התרבות האנושית וזכה בפרס פוליצר לספרות עיון כללית.
ב-1981, לאחר ששיתף פעולה במחקר עם צ'ארלס לומסדן (Lumsden), פרסם וילסון את Genes, Mind and Culture, תאוריה של קו-אבולוציה של תרבות וגנים. ב-1990 פרסם את "הנמלים", שנכתב בשיתוף עם ברט הולדובלר. הספר זכה בפרס פוליצר לעיון כללי - ספרו השני של וילסון שזכה בפרס זה.
בשנות ה-90 פרסם וילסון את "מגוון החיים" (1992), אוטוביוגרפיה בשם "איש-הטבע" (Naturalist) יצאה לאור בשנת 1994 ו-Consilience: The Unity of Knowledge (יצאה לאור בשנת 1998) על אחדות מדעי הטבע והחברה.
פרישה לגמלאות.
בשנת 1996 פרש וילסון רשמית מאוניברסיטת הרווארד, שם המשיך לכהן בתפקידי פרופסור אמריטוס ואוצר כבוד באנטומולוגיה. הוא ייסד את EO Wilson Biodiversity Foundation, המממנת את פרס הכתיבה PEN/EO Wilson למדעי הספרות והיא קרן עצמאית בבית הספר לאיכות הסביבה של ניקולס באוניברסיטת דיוק. וילסון הפך למרצה מיוחד באוניברסיטת דיוק כחלק מההסכם.
וילסון פרסם את הספרים הבאים במהלך המאה ה-21:
וילסון ואשתו איירין התגוררו בלקסינגטון, מסצ'וסטס. בתו קתרין ובעלה ג'ונתן מתגוררים בסמוך, בסטאו, מסצ'וסטס.
ספרים.
סוציוביולוגיה: הסינתזה החדשה, 1975.
וילסון השתמש בסוציוביולוגיה ובעקרונות אבולוציוניים כדי להסביר את התנהגותם של חרקים חברתיים ולאחר מכן - כדי להבין את ההתנהגות החברתית של בעלי חיים אחרים, כולל בני אדם, ובכך ביסס את הסוציוביולוגיה כתחום מדעי חדש. הוא טען שכל התנהגות בעלי חיים, כולל זו של בני אדם, היא תוצר של תורשה, גירויים סביבתיים וחוויות עבר, ושרצון חופשי הוא אשליה. הוא התייחס לבסיס הביולוגי של ההתנהגות כ"רצועה גנטית". ההשקפה הסוציוביולוגית היא שכל התנהגות חברתית של בעלי חיים נשלטת על ידי כללים אפיגנטיים שעובדו על ידי האבולוציה. התאוריה והמחקר הללו הוכיחו את עצמם כמכוננים, שנויים במחלוקת ומשפיעים.
וילסון טען שיחידת הברירה היא גן, המרכיב הבסיסי של התורשה. מטרת הברירה היא בדרך כלל הפרט, הנושא מכלול של גנים מסוגים מסוימים. לגבי השימוש בברירת שארים בהסבר התנהגותם של חרקים אאוסוציאליים, "ההשקפה החדשה שאני מציע היא שזו הייתה ברירה קבוצתית לאורך כל הדרך, רעיון שנוסח לראשונה על ידי דרווין".
המחקר הסוציוביולוגי היה בזמנו שנוי במחלוקת במיוחד בכל הנוגע ליישום שלו על בני אדם. התאוריה ביססה טיעון מדעי לדחיית הדוקטרינה הנפוצה של טאבולה ראסה, הגורסת כי בני אדם נולדים ללא כל תוכן נפשי מולד וכי התרבות פועלת כדי להגביר את הידע האנושי ולסייע בהישרדות ובהצלחה בהפצת הגנים על ידי התרבות. בפרק האחרון של הספר טען וילסון שהמוח האנושי מעוצב על ידי תורשה גנטית באותה מידה שהוא מעוצב על ידי תרבות, אם לא יותר. וילסון טען שיש מגבלות על מידת ההשפעה שיכולה להיות לגורמים חברתיים וסביבתיים על שינוי ההתנהגות האנושית.
ביקורת.
"סוציוביולוגיה" זכתה בתחילה לביקורת מהותית. כמה מעמיתיו של וילסון בהרווארד, כמו ריצ'רד לוונטין וסטיבן ג'יי גולד, התנגדו נחרצות לרעיונותיו בנוגע לסוציוביולוגיה. גולד, לוונטין ואחרים מקבוצת המחקר בנושא הסוציוביולוגיה מאזור בוסטון כתבו "נגד "סוציוביולוגיה" במכתב פתוח שביקר את "השקפה הדטרמיניסטית של וילסון על החברה האנושית והפעולה האנושית". אף על פי שהמכתב מיוחס לחברי קבוצת המחקר בנושא הסוציוביולוגיה, נראה שלוונטין היה הכותב הראשי. בראיון ב-2011 אמר וילסון, "אני מאמין שגולד היה שרלטן. אני מאמין שהוא... חיפש מוניטין ואמינות כמדען וכסופר, והוא עשה זאת בעקביות על ידי עיוות של מה שאמרו מדענים אחרים והגה טיעונים המבוססים על העיוות הזה."
עבודתו של מרשל סהלינס משנת 1976 "השימוש והשימוש לרעה בביולוגיה" (The Use and Abuse of Biology) הייתה ביקורת ישירה על התיאוריות של וילסון.
הייתה גם אופוזיציה פוליטית. הסוציוביולוגיה הציתה מחדש את הדיון על שאלת תפקידם ומשקלם של התורשה והסביבה בעיצוב הפרט. וילסון הואשם בגזענות, שנאת נשים ואהדה לאיגניקה. בנובמבר 1978 הותקפה הרצאתו על ידי הוועד הבינלאומי נגד גזענות, קבוצת חזית של מפלגת הלייבור הפרוגרסיבית המרקסיסטית. חבר הקבוצה שפכה קנקן מים על ראשו של וילסון וקראה "וילסון, אתה רטוב כולך" בכנס AAAS (American Association for the Advancement of Science). וילסון דיבר מאוחר יותר על התקרית כמקור לגאווה: "אני מאמין ש. . . הייתי המדען היחיד בתקופה המודרנית שהותקף פיזית בגלל רעיון."
התנגדויות של נוצרים אוונגליסטים כללו את זו של פול א' רות'רוק ב-1987: "לסוציוביולוגיה יש פוטנציאל להפוך לדת של חומרנות מדעית." הפילוסופית מרי מידג'לי נתקלה בסוציוביולוגיה בתהליך כתיבת "החיה והאדם" (1979) ושכתבה באופן משמעותי את הספר כדי להביע ביקורת על דעותיו של וילסון. מידג'לי שיבחה את הספר על טיפולו בנושאי חקר התנהגות בעלי חיים, בהירות, למדנות והיקף אנציקלופדי, אך מתחה ביקורת רבה על וילסון עקב בלבול מושגי, מדעניזם (scientism) ואנתרופומורפיזם של גנטיקה.
הספר והאופן בו התקבל הוזכרו בספרו של ג'ונתן היידט The Righteous Mind (המוח הצודק) כמו גם בספר The Agile Gene של מאט רידלי (תורגם לעברית בשם "האב, הבן והגן").
על טבע האדם, 1978.
וילסון כתב בספרו "על טבע האדם" מ-1978, "האפוס האבולוציוני הוא כנראה המיתוס הטוב ביותר שיהיה לנו אי פעם". תהילתו של וילסון גרמה לשימוש בביטוי אפוס האבולוציה. הספר זכה בפרס פוליצר בשנת 1979.
הנמלים, 1990.
וילסון, יחד עם ברט הולדובלר, ביצעו מחקר שיטתי של נמלים והתנהגות נמלים, שהגיע לשיאו בעבודה האנציקלופדית "הנמלים" משנת 1990. ניתן להסביר הקרבה עצמית מצד נמלים בודדות על בסיס האינטרסים הגנטיים שלהן בהישרדות האחיות, איתן הן חולקות 75% מהגנים שלהן (אם כי המקרה בפועל הוא שמלכות של מינים מסוימים מזדווגות עם מספר זכרים ולכן חלק מהעובדים במושבה יהיו קשורים רק ב-25%. על כן, וילסון טען להסבר סוציוביולוגי לכל התנהגות חברתית על פי המודל של התנהגות החרקים החברתיים.
וילסון אמר בהתייחסות לנמלים "קרל מרקס צדק, הסוציאליזם עובד, פשוט היה לו מין לא נכון". הוא טען שנמלים בודדות ומינים אאוסוציאליים אחרים הצליחו להגיע לכושר דרוויני גבוה יותר, תוך שהם מעמידים את צורכי המושבה מעל הצרכים שלהם כאינדיבידואלים, משום שחסרה להם עצמאות רבייה: נמלים אינדיבידואליות אינן יכולות להתרבות ללא מלכה, ולכן הן יכולות רק להגביר את כשירותן על ידי פעולה לשיפור הכושר של המושבה כולה. לבני אדם, לעומת זאת, יש עצמאות רבייה, ולכן בני אדם בודדים נהנים מרמת כושר דרוויניסטית מרבית אותה הם יכולים להשיג, על ידי שמירה על הישרדותם והישרדות צאצאים משלהם.
Consilience (פיוס), 1998.
בספרו מ-1998 "Consilience: The Unity of Knowledge", וילסון דן בשיטות ששימשו לאיחוד המדעים, ואולי יוכלו לאחד את המדעים עם מדעי הרוח. וילסון השתמש במונח "פיוס" כדי לתאר את הסינתזה של ידע מתחומים מיוחדים שונים של מחקר אנושי. הוא הגדיר את הטבע האנושי כאוסף של כללים אפיגנטיים, דפוסים גנטיים של התפתחות מנטלית. לדבריו, תרבות וטקסים הם תוצרים, לא חלקים, מהטבע האנושי, אמנות היא לא חלק מהטבע האנושי, אבל ההערכה שלנו לאמנות היא כן. הוא הציע חקר מושגים כמו הערכת אמנות, פחד מנחשים או טאבו גילוי עריות (אפקט וסטרמרק) בשיטות מדעי הטבע והפיכת נושאים אלה לחלק ממחקר בין-תחומי.
הספר הוזכר בספרו של ג'ונתן היידט "The Righteous Mind".
אמונות רוחניות ופוליטיות.
הומניזם מדעי.
וילסון טבע את הביטוי הומניזם חילוני-מדעי כ"תפיסת העולם היחידה התואמת את הידע ההולך וגדל של הידע על העולם האמיתי וחוקי הטבע" ואת הנחיצות של שיפור מצב האדם. בשנת 2003 היה אחד החותמים על המניפסט ההומניסטי.
אלוהים ודת.