Родился Морли в Ньюарке, штат Нью-Джерси в семье церковнослужителя-конгрегационалистов. Из-за слабого здоровья школу не посещал, а учился дома, причём отец готовил его к продолжению служения церкви, однако мальчик предпочёл естественные науки и занялся изучением химии и естествознания.
С 1869 по 1906 года он был профессором химии в Западном резервном колледже (ныне Западный резервный университет Кейза).
Наибольшую известность получили его работы в области интерферометрии, выполненные совместно с Альбертом Майкельсоном. В химии же высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ.