Hans søken førte ham videre til å stille spørsmål om sinnet til andre pattedyr med store hjerner, og på slutten av 50-tallet opprettet han et senter som var viet til å utvikle menneske-delfin-kommunikasjon – Communication Research Institute på St. Thomas på Jomfruøyene. På begynnelsen av 60-tallet utga Lilly og kolleger flere arbeider som rapporterte at delfiner kunne gjengi menneskelige talemønstre. Videre forskning på erkjennende tenkning hos delfiner har imidlertid generelt funnet det vanskelig å gjenskape hans resultater.