Il s'intéressa essentiellement au traitement de l'ARN, l'étape de maturation de la transcription primaire à l'ARN fonctionnelle. En 1982, il fit une découverte essentielle, la preuve de la capacité de l'acide ribonucléique ribosomique du ciliéTetrahymena thermophila d'éliminer un intron contenu dans les grands acides ribonucléiques ribosomiques sans le concours d'une protéine. Ce fut la première preuve d'un auto-épissage.
Un autre domaine de recherche de Thomas Cech concerne la structure et la fonction des télomères, pour lesquels une enzyme spéciale, la télomérase, est responsable de la formation des extrémités des chromosomes linéaires.
(en) Faits saillants sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
