W 1887 r. Michelson wraz z Edwardem Morleyem przeprowadził eksperyment (znany współcześnie jako doświadczenie Michelsona-Morleya) dowodzący, że prędkość światła w układzie źródła nie zależy od ruchu Ziemi. To doświadczenie, wykazujące brak wpływu ruchu obrotowego i orbitalnego Ziemi na prędkość światła w układzie źródła, miało doniosłe znaczenie dla szczególnej teorii względności. Eksperyment Michelsona miał za zadanie potwierdzenie istnienia hipotetycznego eteru, będącego nośnikiem światła. Negatywny wynik badania stał się doświadczalną podstawą teorii względności.
Jego dokonania z zakresu spektroskopii nie ograniczały się tylko do budowy interferometru. Był także autorem urządzenia do produkcji siatek dyfrakcyjnych, które wielokrotnie udoskonalał. Prowadził również badania dotyczące sztywności Ziemi.
Nagrody i wyróżnienia W roku 1907 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za konstrukcję precyzyjnych instrumentów optycznych i pomiary w dziedzinie spektroskopii i metrologii przy ich użyciu. Był drugim Amerykaninem noblistą (po Theodorze Roosevelcie), a pierwszym w naukach ścisłych.