Từ năm 1869 tới 1906 ông là giáo sư hóa học ở Western Reserve College (đã liên hiệp với Đại học Case Western Reserve ngày nay ở Cleveland, Ohio).

Công trình nghiên cứu nổi tiếng của ông – khi làm chung với Albert Abraham Michelson năm 1887 - là thí nghiệm Michelson-Morley. Nhưng cả ông và Michelson chưa đi đến kết luận là thí nghiệm này đã bác bỏ giả thuyết ête. Tuy nhiên, các người khác đã chứng minh, và cuối cùng đã dẫn tới thuyết tương đối của Einstein. Morley cũng làm các thí nghiệm ête chung với Dayton Miller sau khi làm chung với Michelson.

Ngoài ra, Morley cũng nghiên cứu thành phần ôxy trong khí quyển Trái Đất, sự giãn nở do nhiệt và tốc độ ánh sáng trong từ trường.