El trabajo astronómico de Penzias siempre estuvo relacionado con los laboratorios Bell. En 1972 fue el director del departamento de Investigaciones radiotécnicas y en 1976 director del laboratorio de investigación de comunicaciones. Durante este tiempo también colaboró en la Universidad de Princeton, Observatorio de Harvard College, Universidad del estado de New York y el Trenton State College. En 1978 fue galardonado con el premio Nobel de física compartido con Robert Wilson.