Wraz z Carlem Bransem zbadał ideę zmiany stałej grawitacyjnej, która po raz pierwszy została zaproponowana w 1937 roku przez Paula Diraca. Dicke i Brans opracowali teorię grawitacji, w której stała grawitacyjna jest wielkością zmienną, powiązaną z procesem ekspansji Wszechświata. Dane obserwacyjne nie potwierdziły słuszności tej teorii, obecnie jest ona jednak istotną częścią teorii superstrun.
Nie porzucił swoich pasji inżynierskich – jest autorem 50 patentów z różnych dziedzin wiedzy / jednym z najważniejszych jest laser na podczerwień/.
W programie Apollo wykorzystano jego badania dotyczące precyzyjnego pomiaru odległości z Ziemi do sztucznego satelity / wraz z Williamem F. Hoffmanem i Robertem Krotkowem w 1960 roku/.
Fizykowi przypisuje się również wynalezienie wzmacniacza blokującego niepożądany sygnał / szum / – polska nazwa woltomierz homodynowy. On sam jednak później twierdził, że nie jest wynalazcą tego urządzenia. Sama jednak idea funkcjonowania urządzenia jest jednak prawdopodobnie autorstwa Dicke’a.