Edwards memperoleh gelar doktor dari Edinburgh University, Skotlandia, pada tahun 1955, dengan tesis mengenai perkembangan embrio pada tikus. Pada tahun 1958, dia bekerja sebagai staf ilmuwan National Institute Medical Research di London dan mulai melakukan riset tentang proses fertilisasi pada manusia. Kemudian, dia bekerja di Cambridge hingga masa pensiunnya. Dia memperoleh gelar profesor emeritus (profesor yang pensiun dengan performa yang baik) dari University of Cambridge. Pada tahun 1969, untuk pertama kalinya Edwards berhasil melakukan pembuahan sel telur manusia di cawan laboratorium, tetapi sel tersebut tidak berkembang sesuai keinginan. Maka, dia berpikir bahwa sel telur lebih baik dibiarkan matang di dalam ovarium terlebih dahulu sebelum dipindahkan ke luar untuk dibuahi. Rekannya, ginekolog Patrick Steptoe, mengembangkan teknik laparoskopi (operasi dengan sayatan kecil) untuk pengamatan terhadap ovarium lewat instrumen optik. Steptoe menggunakan laparoskopi untuk memindahkan sel telur dari indung telur dan Edwards melakukan kultur sel serta menambahkan sperma. Hasilnya, sel telur dapat membelah dan membentuk embrio awal (ukuran 8 sel). Embrio berukuran 8 sel inilah yang kemudian dikembalikan lagi ke dalam rahim wanita. Teknik bayi tabung tidak hanya mendapat dukungan, tetapi juga pertentangan dan perdebatan etika dari sejumlah pemimpin agama, ahli etika, dan ilmuwan lain.
Pada 25 Juli 1978, bayi tabung pertama di dunia, Louise Brown, lahir dari pasangan Edwards dan Lesley Brown. Hal ini terjadi setelah sekitar 100 percobaan Edwards-Steptoe mengalami kegagalan dan hanya menghasilkan kehamilan singkat. Bersama Steptoe, dia mendirikan Bourn Hall Clinic (pusat terapi fertilisasi in vitro pertama di dunia) dan bekerja sama menyempurnakan teknik fertilisasi in vitro hingga Steptoe meninggal pada tahun 1988.