邁克爾遜的名字是和邁克爾遜幹涉儀及邁克爾遜—莫雷實驗聯係在一起的，實際上這也是邁克爾遜一生中最重要的貢獻。在邁克爾遜的時代，人們認為光和一切電磁波必須借助絕對靜止的“以太”進行傳播，而“以太”是否存在以及是否具有靜止的特性，在當時還是一個謎。有人試圖測量地球對靜止“以太”的運動所引起的“以太風”，來證明以太的存在和具有靜止的特性，但由於儀器精度所限，遇到了困難。麥克斯韋曾於1879年寫信給美國航海年曆局的D.P.托德，建議用羅默的天文學方法研究這一問題。邁克爾遜知道這一情況後，決心設計出一種靈敏度提高到億分之一的方法，測出有關的效應。
1881年他在柏林大學亥姆霍茲實驗室工作，為此他發明了高精度的邁克爾遜幹涉儀，進行了著名的以太漂移實驗。他認為若地球繞太陽公轉相對於以太運動時，其平行於地球運動方向和垂直地球運動方向上，光通過相等距離所需時間不同，因此在儀器轉動90°時，前後兩次所產生的幹涉必有0.04條條紋移動。1881年邁克爾遜用最初建造的幹涉儀進行實驗，這台儀器的光學部分用蠟封在平台上，調節很不方便，測量一個數據往往要好幾小時。實驗得出了否定結果。1884年在訪美的瑞利、開爾文等的鼓勵下，他和化學家莫雷合作，提高幹涉儀的靈敏度，得到的結果仍然是否定的。1887年他們繼續改進儀器，光路增加到11米，花了整整5天時間，仔細地觀察地球沿軌道與靜止以太之間的相對運動，結果仍然是否定的。這一實驗引起科學家的震驚和關注，與熱輻射中的“紫外災難”並稱為“科學史上的兩朵烏雲”。隨後有10多人前後重複這一實驗，曆時50年之久。對它的進一步研究，導致了物理學的新發展。
邁克爾遜的另一項重要貢獻是對光速的測定。早在海軍學院工作時，由於航海的實際需要，他對光速的測定開始感興趣，1879年開始光速的測定工作。他是繼菲佐、傅科、科紐之後，第四個在地麵測定光速的。他得到了嶽父的贈款和政府的資助，使他能夠有條件改進實驗裝置。他用正八角鋼質棱鏡代替傅科實驗中的旋轉鏡，由此使光路延長600米。返回光的位移達133毫米，提高了精度，改進了傅科的方法。他多次並持續進行光速的測定工作，其中最精確的測定值是在1924～1926年，在南加利福尼亞山間約35千米長的光路上進行的，其值為（299796±4）千米/秒。邁克爾遜從不滿足已達到的精度，總是不斷改進，反複實驗，孜孜不倦，精益求精，整整花了半個世紀的時間，最後在一次精心設計的光速測定過程中，不幸因中風而去世，後來由他的同事發表了這次測量結果。他確實是用畢生的精力獻身於光速的測定工作。
1920年邁克爾遜和天文學家F.G.皮斯合作，把一台20英尺（約6米）的幹涉儀放在100英寸（約254米）反射望遠鏡後麵，構成了恒星幹涉儀，用它測量了恒星參宿四（即獵戶座一等變光星）的直徑，它的直徑相當大，為2.50×108英裏（1英裏=1.6093千米），約為太陽直徑的300倍。此方法後被用來測定其他恒星的直徑。
邁克爾遜邁克爾遜的第一個重要貢獻是發明了邁克爾遜幹涉儀，並用它完成了著名的邁克爾遜—莫雷實驗。按照經典物理學理論，光乃至一切電磁波必須借助靜止的以太來傳播。地球的公轉產生相對於以太的運動，因而在地球上兩個垂直的方向上，光通過同一距離的時間應當不同，這一差異在邁克爾遜幹涉儀上應產生0.04個幹涉條紋移動。1881年，邁克耳遜在實驗中未觀察到這種條紋移動。1887年，邁克爾遜和著名化學家莫雷合作，改進了實驗裝置，但仍未發現條紋有任何移動。這次實驗的結果暴露了以太理論的缺陷，動搖了經典物理學的基礎，為狹義相對論的建立鋪平了道路。
邁克爾遜是第一個倡導用光波的波長作為長度基準的科學家。1892年邁克爾遜利用特製的幹涉儀，以法國的米原器為標準，在溫度15℃、壓力760毫米汞柱的條件下，測定了鎘紅線波長是6438.4696埃，於是，1米等於1553164倍鎘紅線波長。這是人類首次獲得了一種永遠不變且毀壞不了的長度基準。