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물리학자 A. A. 마이컬슨과 함께 가상의 에테르 속을 움직이는 지구의 상대운동을 측정하고자 했다.

1860년 윌리엄스대학을 마치고, 과학과 신학을 함께 공부하여 1868년 오하이오 주 연합목사단을 시작으로 다음해 웨스턴리저브대학교의 교수가 되었다. 1882년 학교가 클리블랜드로 이전하여 웨스턴리저브대학교로 된 뒤에도 1906년 은퇴할 때까지 그곳에서 학생들을 가르쳤다. 1873~88년 클리블랜드의과대학에서도 강의했다.

많은 기체, 특히 산소의 원자량과 밀도를 정확히 밝히려고 노력했으며 탁월한 실험가로서 명망이 있었기 때문에 케이스 응용과학학교에 있는 마이컬슨이 공동실험을 하기를 원했다. 1887년 두 사람은 오늘날 마이컬슨-몰리 실험이라고 알려진 실험을 했다. 이 실험은 지구의 운동에 대해 여러 방향에서 빛의 속력을 측정함으로써 에테르가 광속에 미치는 영향을 측정하는 것이었는데, 실험결과는 에테르의 존재를 부정한 것이어서 아인슈타인의 특수상대성 이론을 형성시키는 데 중요한 단서가 되었다.