Работая над новым типом антенн в лабораториях Белла в Нью-Джерси, Вильсон и Пензиас обнаружили источник шумового сигнала в атмосфере, который они не могли объяснить. После устранения всех потенциальных источников шума, включая посадку голубей на антенну, шум пришлось признать микроволновым реликтовым излучением, что было сделано Дикке с учениками в статье, теоретически обосновывающей результат Вильсона — Пензиаса. Это открытие послужило важным фактом для подтверждения горячей модели Вселенной, окончательно опровергнувшим конкурирующую с ней холодную модель в рамках теории большого взрыва.
Студентом Вильсон учился в университете Райса. В этом университете он поступил в общество Фи-Бета-Каппа. Аспирантуру Вильсон прошёл в Калифорнийском технологическом институте.
Вильсон и Пензиас получили медаль имени Генри Дрэпера в 1977 году.
