Curtiss pracował wówczas nad hydroplanem dla amerykańskiej armii, a Sperry postanowił opracować żyroskopowy stabilizator lotu, którego celem było utrzymywanie kursu i wysokości samolotu niezależnie od warunków. Do tego pomysłu zainspirował go prawdopodobnie opracowany przez jego ojca wynalazek żyrokompasu dla okrętów wojennych. Prace te nadzorowała wojskowa administracja, a Sperry'emu przydzielono oficera, który brał udział w procesie projektowania. Prezentacja urządzenia odbyła się 18 czerwca 1914 r. na konkursie w Paryżu, Sperry wygrał rywalizację, a jego widowiskowe popisy zapewniły mu rozpoznawalność.
Po wybuchu I wojny światowej Sperry chciał służyć na froncie zachodnim, jednak z powodu braku formalnego wykształcenia nie otrzymał pozwolenia od francuskich władz i wrócił do swojej pracy w USA. W 1915 r. zaprezentował koncepcję podwozia umożliwiającego samolotowi startowanie zarówno z wody jak i z lądu, wkrótce potem wraz z ojcem opracował prototyp samolotu bezzałogowego. Łącznie od 1915 r. do śmierci złożył 23 wnioski patentowe, m.in. opracował koordynator zakrętu, sztuczny horyzont i prędkościomierz, a także ulepszył magnetyczny kompas. Sperry był wśród pionierów lotnictwa nocnego oraz spadochroniarstwa sportowego.