Tijdens zijn studie had Hess deelgenomen aan Vening Meinesz' onderzoek naar gravitatie-anomalieën in de zeeën rond Nederlands-Indië en hij paste dit onderzoek nu zelf toe op het Caraïbisch gebied, waarvoor hij onderzeeboten van de Amerikaanse marine ter beschikking kreeg. In de Tweede Wereldoorlog werd hij ingezet als marineofficier waarbij zijn werk het opsporen van Duitse onderzeeboten was. Hess maakte van de gelegenheid gebruik om echo-apparatuur aan boord mee te nemen, waarmee hij de bathymetrie van de zeebodem opmat. Door telkens een iets andere route te nemen bracht hij zo een groot deel van de bodem van de Grote Oceaan in kaart. Hij ontdekte daarbij grote platte "bergen" onder zee, die hij guyots noemde (naar Guyot, de stichter van het geologisch departement in Princeton). Een probleem was dat deze guyots afgeplat waren, hoewel onder water geen erosie plaats kan vinden.
Na de oorlog deed Hess ook onderzoek naar peridotieten en vulkanische gesteenten van eilandbogen. Ook deed hij onderzoek voor de NASA op gesteente dat teruggebracht was van de Maan.
In de jaren 50 waren de magnetische anomalieën in de oceanische korst in kaart gebracht en was ontdekt dat deze anomalieën als langgerekte banden over de oceaanbodem liggen. Arthur Holmes had al in 1927 voorgesteld dat convectie in de mantel de beweging van de continenten aandrijft. Al deze dingen combinerend zou Hess in 1960 een artikel publiceren, waarin hij het mechanisme van platentektoniek beschreef. Hij combineerde Holmes' idee met zijn eigen concepten van oceanische spreiding en subductiezones. Het idee sloeg in als een bom en Hess zou nog meemaken dat platentektoniek algemeen werd geaccepteerd.