Han ble ansatt ved Bell Telephone Laboratories i New Jersey. Penzias der gransket sammen med Robert Wilson radioemisjoner fra et plasmaområde rundt Melkeveien og påviste en uniform bakgrunnsstråling som indikerte en gjennomgårnde varmeenergi, som tilsvarer omkring 3 K i universet. Utregninger bå grunnlag av big bang-teorien for opphavet til universet foretatt av George Gamow hadde ment at slike forhold skulle eksistere, og målingene deres ble derfor tatt som ett av de sterkeste beviser for at teorien er riktig.