Cosmic microwave background
Für seinen Beitrag zur Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung wurde er 2006 zusammen mit George F. Smoot für ihre Bestätigung, dass das Spektrum der Hintergrundstrahlung dem Plancksches Strahlungsgesetz eines schwarzen Körpers gehorcht, und der Entdeckung der Anisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ("for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation") mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung wurden von Smoot und Mather mittels des Satelliten Cosmic Background Explorer (COBE) durchgeführt.