Insegnò chimica, fisica, matematica, mineralogia, geologia e botanica. Ma la chimica fu il suo maggiore interesse. Nel 1863 infatti diventò professore di chimica al Medical Departement di Cleveland e riuscì a conciliare l'attività di ricerca e l'insegnamento. Lavorò come ricercatore per parecchie ditte, procurandosi i fondi per continuare la sua ricerca, in seguito ricevette maggiori fondi dal college di Cleveland. 

Sebbene Morley sia più conosciuto per il contributo all'esperimento di Michelson-Morley, ottenne anche da solo altri numerosi ed importanti risultati. La sua ricerca principale riguardava la proporzione relativa di ossigeno nell'aria. Progettò e costruì un apparecchio in grado di determinare la percentuale di ossigeno nell'aria, rapidamente e con estrema precisione. è conosciuto anche per il suo lavoro sulla chimica dell'idrogeno e dell'ossigeno, e sulla proporzione in cui essi si combinano.