Sammen med sin daværende ektefelle May-Britt Moser bygget han opp Moser-miljøet ved NTNU. Begge ble ansatt som førsteamanuenser i biologisk psykologi ved Institutt for psykologi ved NTNU i 1996, der de etablerte et eget hjerneforskningslaboratorium. Han ble professor i nevrovitenskap i 1998. I 2002 ble Moser-miljøet gitt status som senter for fremragende forskning og har siden vært organisert i flere selvstendige enheter. Forskningsmiljøet består i dag av Kavliinstituttet for nevrovitenskap, Senter for nevrale nettverk og et tredje senter, som alle inngår i Fakultet for medisin og helsevitenskap. Moser har ledet en rekke forskningssentre og enheter, og han er nå instituttleder ved Kavliinstituttet for nevrovitenskap og nestleder ved Senter for nevrale nettverk.