Уилсон известен своими исследованиями, посвященными поведению и экологии муравьев, и считается ведущим специалистом в этой области. Первую работу о коммуникации муравьев с помощью особых химических веществ – феромонов написал в 1959, более полные сведения изложены в книге Муравьи (The Ants, 1990), написанной Уилсоном в соавторстве с Б.Холлдоблером. В 1971 в работе Сообщества насекомых (The Insect Societies) Уилсон представил результаты исследований социального поведения муравьев, термитов, пчел и ос. В следующем труде, Социобиология: новый синтез (Sociobiology: The New Synthesis, 1975), сформулировал теорию биологических основ социального поведения животных и человека. В последней главе книги Уилсон пытался доказать, что некоторые аспекты поведения человека (например, разделение труда по половому признаку) генетически детерминированы и в этом отношении человек ничем не отличается от животных. Концепция Уилсона вызвала серьезную критику, на которую Уилсон ответил в своей следующей книге – О природе человека (On Human Nature, 1978), получившей Пулитцеровскую премию.

В 1980-х годах Уилсон обратился к проблеме исчезновения видов растений и животных. В 1992 опубликовал труд Многообразие жизни (The Diversity of Life), в котором представил результаты изучения и систематизации биологического мира.