1960年威耳遜向加州理工學院交出博士論文。這時勞氏方程已被S矩陣理論所取代，威耳遜發明了（應該說是重新發明）“弦近似”方法，又研究了多生成理論，甚至倒過來做固定源介子理論的強耦合近似。
到了1963年，威耳遜已經清楚地看到，他應該做的課題就是把量子場論用於強相互作用。他撇開了S矩陣理論，因為S矩陣理論的方程即使能夠寫出來，仍然過於複雜，不像是一個理論，而固定源介子理論可以作弱耦合近似，又有強耦合近似，因此他相信量子場論是可以搞清楚的。
在做固定源介子理論時，威耳遜運用微擾論取得了一些成果。他第一次發現重正化群方法的自然基礎。
在這以後，威耳遜努力思考的問題是“什麼是場論”？他認識到必須考慮自由度的作用。他還發現如果能夠把正確公式化了的場理論用計算機求解，隻要有足夠計算能力的計算機，就可以得到任意的精確度。在20世紀60年代裏他手頭沒有這種計算機，因此隻能做一些簡單的特例。
1966年威耳遜在康奈爾大學出席一次講演會，聽到了維丹所作的標度不變狀態方程的報告。他認為維丹的方程缺乏理論基礎，當時他還不了解使維丹的工作成為重要發展的有關臨界現象的背景。但是他受到維丹報告的啟發，認識到應當把重正化群的思想運用到臨界現象。1966年夏，他就在阿斯品（Aspen）的會議上與一些固體物理學家討論，人們建議他看看前蘇聯學者卡達諾夫的預印本。就這樣，威耳遜第一次接觸到了卡達諾夫的工作。
卡達諾夫的思想是這樣的：在臨界點附近，應該想到一大群磁矩。例如，每群中有2×2×2個原子，組合成一個單獨的有效磁矩。而這些有效磁矩對其最近的鄰居有簡單的相互作用，就像簡單的模型一樣。其唯一變化是係統的有效溫度和外磁場與原來的係統不一樣。更一般地說，有效力矩是作用在間距比原來原子間距大L倍的晶格上。
於是威耳遜把各種場論的思想運用到晶格和臨界現象上。他知道歐幾裏得的量子場論和用於統計力學模型的“變換矩陣”方法，並且發現這兩個不同領域的方法極為類似。他了解場論要是相對論性的，則相應的統計力學理論必須具有很大的相關長度，即接近於臨界點。於是他想到把卡達諾夫、維丹等人的標度無關理論用於量子場論的含義。再考慮到瑟林（Thirring）模型解答的標度不變性和馬克（Mack）等人對量子場論標度不變性的討論，威耳遜認識到標度不變量至少可以用於小距離上。但場算符應與臨界現象中非同尋常的指數一樣具有非同尋常的標度量綱。威耳遜在這些標度無關性的思想上重新構築了短距離膨脹理論，很快發表了結果。盡管這一結果與基本的實驗思想似乎不大相符，但還是引起了人們的注意。他的理論方法很快被理論家用於分析各種臨界現象。從研究臨界現象發展起來的一係列新的概念與理論方法，現在不僅對連續相變的理論，而且也對凝聚態物理與統計物理的許多分支，以及量子場論和粒子物理學都有深刻的影響。因此1982年諾貝爾物理學獎授給了威耳遜。
威耳遜1975年遇到布朗小姐，1982年兩人結婚。布朗小姐在康奈爾計算機公司工作，他們兩人合作，在計算機軟件方麵做了很多工作，在這以後，威耳遜以很大精力投身於大規模運用計算機作科學計算的研究之中。