Dixon e Mason firmarono un accordo nel 1763 con i proprietari terrieri di Pennsylvania e Maryland, Thomas Penn e Frederick Calvert, assistendoli nella risoluzione di una disputa di confine tra i due Stati, tracciando quella oggi nota come Linea Mason-Dixon.[1] Arrivarono a Filadelfia nel novembre del 1763 e cominciarono a lavorare intorno alla fine dell'anno. La loro indagine non fu completata prima della fine del 1766. Inoltre definirono un metro di misurazione per la gravità con gli stessi strumenti usati da Dixon con Maskelyne nel 1761. Prima di ritornare in Inghilterra nel 1768 furono dichiarati cittadini americani, grazie ai loro sforzi come promotori della conoscenza nella città di Filadelfia.
Il cratere lunare Mason prende nome da lui, come anche l'asteroide 3131 Mason-Dixon (insieme a Jeremiah Dixon).[2]
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