Głównym obszarem zainteresowań naukowych Cecha był proces transkrypcji zachodzący w jądrach komórkowych. W latach 70. XX wieku badał splicingRNA u jednokomórkowego organizmu Tetrahymena thermophila. Stwierdził wówczas, że w RNA wycinanie intronów zachodzi samoczynnie, nawet w nieobecności białek. Biokatalizatorem reakcji był sam RNA. Była to pierwsza niebiałkowa substancja, działająca podobnie jak enzym, z tego względu nazwano ją rybozymem. Wyniki swoich badań opublikował w 1982.
Drugą dziedziną tematyczną, którą zajmował się Thomas Cech było badanie struktury i funkcji telomerów oraz telomerazy.
W 1989 roku otrzymał (wraz z Sidneyem Altmanem, który prowadził badania niezależnie) Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie właściwości katalitycznych RNA. Odkryli oni, że RNA, uważany dotąd za cząsteczkę biernie przenoszącą informację genetyczną, może pełnić także funkcje enzymu, katalizując, czy też ułatwiając przebieg istotnych dla życia, wewnątrzkomórkowych reakcji chemicznych. Wcześniej uważano, że aktywność enzymatyczną wykazują tylko białka. Cech pierwszy wykazał, że cząsteczka RNA może katalizować reakcję chemiczną. Wyniki swoich badań opublikował w 1982. W 1983 Altman, którego wcześniejsze badania wyraźnie potwierdzały tę hipotezę, wykazał ostatecznie aktywność enzymatyczną cząsteczki RNA.
