I forbindelse med sitt doktorgradsarbeid, fikk Metcalfe arbeide med MITs Project MAC. Dette skjedde etter at Harvard ikke ønsket å gi han ansvaret for å knytte skolen til den nye Arpanet. Ved MITs Project MAC, var Metcalfe ansvarlig for å få bygget noe av den hardware som var nødvendig for å kunne knytte MITs minicomputerer til Arpanet. Metcalfe var så fascinert av Arpanet at han gjorde dette til tema i sin doktoravhandling. Hans første doktorgrad ble ikke godkjent. Inspirasjon til en ny doktoravhandling fikk han mens han arbeidet ved Xerox PARC og leste en avhandling om ALOHA-nettverket ved University of Hawaii. Han identifiserte og fikset noen av feilene i AlohaNet-modellen og gjorde denne analysen til en del av sin reviderte avhandling. han fik tilslutt sin Harvard PhD i 1973.