Bell, telgraf şirketlerinin çıkmazı olan, bir hat üzerinde aynı anda yalnızca tek bir mesajın iletilmesi sorununa çözüm arayacak çalışmaya başlamıştı. Başlangıçta çoklu bir telgraf geliştirmeyi istiyordu. Bell, ses tellerinin ve kulak zarının titreşimlerinden yola çıkarak, insan sesindeki frekansı elde ederek, bunları elektrik sinyali biçiminde bir telden iletmenin olanaklı olup olmadığını araştırıyordu. Bunun için de diyafram adı verilen bir aletle, yapay bir kulak zarı yaratmanın gerekli olduğu sonucuna vardı. Diyafram, hem konuşma sesiyle titreşim oluşturabilecek, hem de elektrik akımı yaratan küçük değişikliklere tepki verebilecek kadar ince bir tabakaydı. Tam ortasına da diyafram hareket ettikçe hareket eden bir manyetik zar yerleştirdi. Ses titreşimleriyle oluşan değişiklikler, alıcı merkeze ulaştığında, alıcının diyaframında titreşime neden olarak, sinyalleri yeniden sese çeviriyordu.

En değerli patentlerden biri olan telefonun patentini Bell, 7 mart 1876'da, 29. yaş gününden dört gün sonra aldı. İlk telefon şirketi olan Bell Telefon Şirketi de 1877'de kuruldu. Bell yalnızca telefonun patentini almadı, o çok yönlü bir araştırmacı ve mucitti. Kendi geliştirdiği fonograf için bir, hava araçları için beş, hidrouçaklar için dört ve selenyum piller için de iki patenti vardır.