Ia mulai bekerja di Laboratorium Bell. Penelitiannya dalam fisika benda padat, khususnya tabung vakum, membuat banyak kemajuan teoretis dalam tujuan perusahaan untuk menggunakan tombolelektronik untuk kantor telepon sebagai pengganti tombol mekanik yang masih dipakai sampai saat itu. Selama PD II, Shockley bekerja untuk proyek militer, khususnya memperhalus sistem radar. Begitu perang berakhir, ia kembali meneliti benda padat, kini mengamati semikonduktor.
Salah satu sumbangannya dalam bidang industrielektronika ialah penerapan teori kuantum pada perkembangan semikonduktor. Pada 1947, dengan koleganya John Bardeen dan Walter Brattain, ia membuat alat semikonduktor pengeras pertama. Mereka menyebutnya transistor (dari transfer dan resistor). Shockley membuat kemajuan di bidang itu pada 1950 yang membuatnya mudah diproduksi. Gagasannya yang orisinal akhinya menimbulkan pengembangan keping silikon. Shockley, Bardeen, dan Brattain memenangkan Penghargaan Nobel dalam Fisika1956 untuk pengembangan transistor, yang memungkinkan alat-alat elektronik dibuat lebih kecil, jelas, malahan murah.
Ia meninggalkan Bell Labs pada 1955 dan menjabat sebagai profesor pengunjung dan penasihat ahli di sejumlah perguruan tinggi dan perusahaan. Ia membangun laboratoriumnya sendiri untuk mengembangkan transistor dan peralatan lain. Namun akhirnya bisnis itu bangkrut pada 1968. Pada 1963, Shockley diangkat sebagai guru besarteknik di Universitas Stanford dan mengajar sampai 1975. Pengajaran membuatnya berpikir banyak tentang dirinya sendiri mengenai proses berpikir dan bagaimana pemikiran ilmiah bisa ditingkatkan. Ia mengemukakan bahwa masa depan penduduk terancam karena orang-orang ber-IQ rendah memiliki lebih banyak anak daripada orang yang ber-IQ tinggi. Pandangannya menuai kontroversi dan terdengar rasis. Saat orang terus menghormati prestasinya dalam fisika dan teknik, banyak tokoh umum dan ilmuwan menjelaskan bahwa "sumbangannya dalam fisika tidak memberi kepercayaan ilmiah atas pendapatnya mengenai genetika."
