Najbardziej znany jest z udziału w badaniach w zakładach Hawthorne Works należących do Western Electric Company. Eksperymenty dotyczące między innymi wpływu oświetlenia na wydajność prowadzili tam wcześniej badacze związani z firmą, a Mayo został zaproszony do współpracy pod koniec lat 20., aby pomóc w interpretacji ich wyników. Mayo uznał, że na wydajność silniej niż warunki fizyczne i wynagrodzenie wpływają czynniki społeczne: relacje w grupie, poczucie uczestnictwa i zainteresowanie ze strony przełożonych. Na tej podstawie formułował zalecenia dotyczące tego, jak menedżerowie powinni traktować podwładnych i organizować pracę. Z badaniami tymi wiąże się pojęcie efektu Hawthorne, czyli zmiany zachowania osób badanych wynikającej z samej świadomości, że są obserwowane. Interpretacja Mayo była później szeroko kwestionowana (zob. Krytyka).
Jego badania przyczyniły się do powstania szkoły human relations w zarządzaniu.
Jest autorem m.in. książek The Human Problems of an Industrial Civilization (1933) i The Social Problems of an Industrial Civilization (1945).