Dicke retourne à l'Université de Princeton. 

Il contribue aux premières mesures du fond diffus cosmologique avec James Peebles, David Todd Wilkinson et Peter G. Roll. Le radiomètre de Dicke est utilisé pour ces mesures. Toutefois ils sont battus par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson qui découvrent accidentellement ce rayonnement en travaillant sur un nouveau type d'antenne aux Laboratoires Bell. Dicke avait oublié les travaux de George Gamow sur ce sujet1. Il consacre le reste de sa carrière au développement de tests de précision de la relativité générale basé sur le principe d'équivalence. Avec Carl H. Brans il met au point