Rainer Weiss đã đóng góp vào hai lĩnh vực nghiên cứu vật lý cơ bản từ lúc khai sinh cho tới khi hình thành hai ngành lớn: nghiên cứu các đặc trưng của bức xạ phông vi sóng vũ trụ,[3] và đo lường trực tiếp sóng hấp dẫn bằng phương pháp giao thoa.

Ông đã thực hiện các phép đo tiên phong về bức xạ nền vi sóng vũ trụ, rồi sau đó là người đồng sáng lập và chủ tịch ủy ban tư vấn khoa học của dự án tàu thăm dò vi sóng COBE của NASA.[1] Năm 2006, cùng với John C. Mather, ông và đội COBE đã nhận Giải Gruber về Vũ trụ học.[2]

Weiss là người đã phát minh ra phương pháp giao thoa kế laser để đo lường trực tiếp sóng hấp dẫn, và là người đồng sáng lập ra đài quan trắc sóng hấp dẫn LIGO, một dự án do Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) tài trợ. Những nỗ lực đầy thử thách trong khoa học thực nghiệm này là nhằm thu được hiểu biết quan trọng về vật lý ở phạm vi trường hấp dẫn cực mạnh trong Vũ trụ.[6] Năm 2007, cùng với Ronald Drever, ông được trao Giải Einstein cho những đóng góp về đo lường sóng hấp dẫn.[7]

Ngày 11 tháng 2 năm 2016, ông là một trong số những nhà khoa học của Nhóm Hợp tác Khoa học LIGO diễn giải trong buổi công bố là Nhóm Hợp tác Khoa học LIGO đã phát hiện và đo lường trực tiếp được sóng hấp dẫn mà hai trạm quan trắc LIGO đã thu được vào ngày 14 tháng 9 năm 2015. Sau sự kiện này, ông cùng với Ronald Drever và Kip Thorne đã nhận các giải thưởng giải Đột phá trong Vật lý cơ bản, giải Gruber về Vũ trụ học và giải Shaw.[8][9][10][11][lower-alpha 1][lower-alpha 2]