1957年，爱德华兹来到美国加州理工学院进行为期一年的科学研究，一方面是为拓宽思路，另一方面是为寻找新的研究方向。随着当时世界人口快速增长，公众的关注焦点之一是减少生殖，因此爱德华兹决定研究不孕症的原因，找到阻碍精卵结合的方案，以期能在这个领域做出重大贡献。

1958年，爱德华兹回到英格兰，加入英国医学研究院实验生物研究所，尝试实现精子和卵子在体外结合的详细过程，然而实验并不顺利，直到1962年，一项重大突破改变了爱德华兹的研究历程。华裔美籍生殖生物学家张明觉实现了黑雄兔精子和黑雌兔卵子的体外融合，并将发育胚胎植入一只白兔的子宫内，最终产下一窝黑色幼崽。这说明这些幼崽的父母为黑兔，白兔只发挥代孕作用。这是人类第一次实现试管哺乳动物技术。受这一进展启发，爱德华兹做出一个大胆设想，那就是可采用相似策略完成试管婴儿，从而解决人类不孕问题。然而，爱德华兹将这一想法与妇产科医生进行沟通尝试合作时，她们对此没有太多兴趣，幸运的是产科医生莫莉·罗斯被他的执着深深感动，同意尽其所能为爱德华兹提供研究用的卵子，因此这些卵子显得弥足珍贵。

主流观点认为哺乳动物的卵子在体外需要12小时才能成熟，爱德华兹用多种动物实验验证了这一说法的正确性。然而，当爱德华兹使用人类卵子进行实验时遇到重大挑战，那就是人类卵子12小时后并不能成熟。他尝试给人类卵子更多的时间，随后发现人类卵子在25小时后才开始成熟，到第37小时才完全成熟。1965年，爱德华兹在著名医学杂志《柳叶刀》上发表了这一研究成果，纠正了生殖学领域的一个重大错误。