这时，贝尔家出了不幸的事，他的两个兄弟相继害肺病夭折。那时肺病在英三岛猖獗，几乎像今天的癌症一样可怕。贝尔的父亲连失两子，心有余悸。他把病因归咎于英国气候阴冷、潮湿，决定离开故土，于是带着贝尔和全家远渡重洋，迁移到加拿大。
年轻的贝尔到加拿大后，继续研究语音学，并在一所中学兼教语言课。他才华出类拔萃，1869年，22岁时被聘为美国波士顿大学的语音教授。这时，贝尔的父亲已成为北美闻名的语言学专家，经常应邀到各地演讲。贝尔少年时即有过演说锻炼，他的专业知识也日渐成熟。每次相随，他演讲起来并不比父亲逊色，很受听众欢迎。贝尔父子的名声很快就传遍大西洋西岸。后来，父子俩在波士顿开办一所聋哑学校，教习聋哑人克服语障，并研究试验助听器械。
俗话说，根深叶茂。贝尔自幼对人类的通信交往就有浓厚的兴趣，后又进行多年专门研究，在声学知识上做了充分的准备。当时试图发明电话的人很多，后来惟独贝尔获得成功，这不是偶然的，是他多年知识储备的必然结果。
当时莫尔斯发明的电报已广泛应用，成为一种新兴的通信工具。不过电报只能传递电码，局限性大。能不能发展一步，用电直接传递人的语音呢？这个问题引起了许多发明家、科学家的冥思苦想。但人们进行了20多年的探索都未成功，这是因为直接传递语音难度要大得多。人的语音是声波的振动，它如何从导线上传送呢？几年来，贝尔也被这个奇妙的问题深深地激动着。声学本是他的专业，他家从祖辈起，就把人类语音传递当作己任。对贝尔来说，发明电话，不只是美好的理想，也是一种义不容辞的使命，他终于挑起了这副担子。
伟大的设想
贝尔最后定居美国。贝尔想：“既然电流可使音叉振动，为什么人的声音或音叉的振动，不能使电流获得相应音波而来传递声音呢？”
有一天，一次偶然的实验启发了他。
贝尔正研究一种为耳聋者用的“可视语言。”按他的设想，是在纸上复制人语声波的振动，以使耳聋者能从波形曲线看出“话”来。由于曲线识别并不容易，这个设计最终没有实现。但贝尔在实验时，却意外地发现一个有趣的现象：当电流导通和截止时，螺旋线圈会发出噪声，就像发送莫尔斯电码的“嘀、嗒”声一样。
这个细节一般人是不会留意的，贝尔却是有心人。他重复几次，结果都一样。贝尔茅塞顿开，一个大胆的设想在他脑海中出现：“在讲话时如果我能使电流强度的变化模拟声波的变化，那么用电传送语音不就能实现了吗？”这个思想后来成了贝尔设计电话的理论基础。贝尔的发现看起来是偶然的巧遇，其实是长期酝酿的结果。
贝尔兴致勃勃地把自己的想法告诉了几位电学界人士，他很有信心地说：“我相信这是可以办到的，我一定要找出办法来！”可是听者却不以为然，有的一笑置之，有的耸耸肩膀。一位颇具资格，但看上去十分自负的先生告诉他：“产生此种设想，实在是缺乏电学常识。只要读两本普通的《电学入门》，导线传递音波的狂想自会消失。”
贝尔碰了钉子，并未泄气。他决定去求教约瑟夫·亨利——当时的一位大物理学家。于是，贝尔动身前往华盛顿。
亨利是电学史上一位杰出的人物，他曾经同法拉第各自独立地发现了电磁感应现象。事实上，他的发现比法拉第还要早些，只是没有第一个发表罢了。他还发明了摆动式电动机、继电器，莫尔斯的电报机就是根据他提出的原理发明的。亨利为人谦逊，不重名利。他一生中有很多发明，却不愿申请专利，许多本来应该由他享有的荣誉他都让给别人了。在相当长时间，欧洲和美国人都不太了解他。后来人们才发现他的伟大不在法拉第之下。为了纪念他的卓越贡献，1893年在美国芝加哥举行的国际电学家会议上，决定在实用单位制中，用他的名字“亨利”作为电感单位。亨利晚年担任美国史密森学会首任会长，威望很高。贝尔拜望他的时候，他已经73岁了。
那是1873年3月的一天午后，天下着微雨。一个头戴礼帽，身穿黑风衣的高个子青年来到亨利的寓所，他就是刚下火车的贝尔。老科学家此时正在午睡，贝尔不愿打扰他，就站在细雨中静静地等候。两小时后，老人醒来时，贝尔的风衣已经湿透了。这位科学界的老前辈从未见过贝尔，但对贝尔一家及其成功的聋哑教学方法是久有所闻的。老人很客气地接待了年轻的来访者。
贝尔陈述了他的发现，并详细解释了用电传送语音的设想，他的两眼因兴奋而闪闪发光。约瑟夫·亨利很快被年轻人的热忱所感动。贝尔讲完后，怀着微微紧张的心情问道：“先生，您看我该怎么办？是发表我的设想，让别人去做，还是我自己应该努力去实现呢？”
“您有了一项了不起的发明设想，贝尔，”亨利慈爱地答道，“干吧。”
“可是，先生，有许多制作方面的困难，而且我不懂电学。”
“掌握它！”这位大科学家斩钉截铁地说。
这句话对青年发明家产生了很大的影响。许多年后贝尔写道：“没有这三个令人鼓舞的大字，我是决计发明不了电话的。”对约瑟夫·亨利的鼓励，贝尔是终生难忘的。
贝尔所说的确是肺腑之言。科学技术的发展像一场接力跑。科技史上曾有许多像亨利这样胸怀大略的老将，为后来者开辟了道路。法拉第得益于戴维，刻卜勒接受了第谷的珍贵天文学遗产，达尔文获得其师亨斯罗的指导，都是科学上老一辈大师关怀新秀的佳例。
梦想成真
贝尔回到波士顿，悉心学起电学来，把他的业余时间全部用在电的研究上了。贝尔这时刚26岁，精力旺盛，经过刻苦用功，再加上搞聋哑教学实验接触过电磁器械，所以没过多久，学习就过关了。
1873年初夏，贝尔辞去波士顿大学声学教授的职务，正式搞起实验来。他试图将电学和声学熔铸于一炉（后来的电声理论即由此发端），万事皆备，尚需一名得力助手。在一次偶然的机会中，贝尔遇到一个年轻的电工技师，两人一见如故，那位技师名叫沃特森，只有18岁。他对贝尔的理想坚信不疑，表示一定尽全力相助。沃特森后来履行诺言，始终不渝，成为贝尔终身战友。
贝尔在近郊公寓的宿舍成了他们的实验室，同时这间灰尘满地、拥挤闷热的小屋，兼作两人的卧室。两位发明家埋头其中，一边研究电声转换原理，一边设计实用的机械。贝尔一有一种新的构思，沃特森立即从事制造。贝尔研制的电话是史无前例的东西，没有任何实物可凭，只能反复尝试，从失败中积累经验。有时贝尔在半夜偶有所得，立即翻身起来画图，沃特森马上照图施工。
日复一日，两年过去了。究竟他们试过多少方案，有过多少失败，已无从统计，最后才制成两台粗糙的样机。贝尔的设计是这样的：在一个圆筒底部铺一张薄膜，膜中央垂直连接一炭杆，插入硫酸液里，人讲话时薄膜振动，杆与硫酸接触处的电阻发生变化，电流随之有强有弱，接收处利用电磁原理，再将电讯号复原为声音。这就实现了用电传递声波的实验。
为了验证机器的效果，他们把导线从住处架到公寓的另一端。试验开始，贝尔和沃特森对着自己的装置大声疾呼，可是，各自听到的声音不是穿壁而来，就是越顶而过，机器像聋哑人一样毫无反应。他们一连试了好几天，好心的邻居们默默地忍受着他们毫无结果的大喊大叫。直到发明家嗓子都喊哑了，通话还是没有成功。
两位朋友沮丧已极。两年来，他们牺牲了所有的休息和娱乐，耗尽心血，造出来的电话竟是不争气的“哑巴”！
为什么会失败呢？贝尔苦苦思索着。是设计不对么？制作有误么？用电传递语音本身果真不可能吗？
夜幕降临了，望着满天的星斗，贝尔眼前浮现出亨利亲切的面容。他仿佛又听到老科学家坚定的声音：“贝尔，你有了一项了不起的发明设想！干吧！”
正在贝尔锁眉沉思时，忽听到沃特森的背将串联在电话线路中的电池碰到了地上的声音，他的心头猛地一震：“是不是由于电路中的电流太弱，负载太小而导致电话成为哑巴呢？”贝尔将这一新的想法一讲，沃特森顾不得准备晚饭，便又迅速投入到新的实验准备中去了。
为了得到更大的电流，他们花了两天的时间制作了一种新的“送话器”代替了原来的装置。但经过试验，效果仍不理想，在“受话器”一边只有微弱的“口兹口兹”声，不知是声音微弱难辨，还是线路本身存在的干扰声。
又是一个繁星满天的夜晚，贝尔又一次陷入了沉思。
“先生，您听！”沃特森在背后呼唤着，贝尔转过头，困惑地望着助手。沃特森用手指着窗外，神色惊喜地重复道：“先生，您听！”
窗外，隐隐传来一阵“吉他”的曲调，那叮叮咚咚的音响，像山泉般在夜空里荡漾。贝尔侧耳凝神，听着，听着，豁然醒悟。他跳起来朝青年技师猛击一拳：“有啦！有啦！沃特森，你真行呀！”
原来，他们的送、受话器灵敏度太低，所以声音微弱，难以辨别，吉他的共鸣启发了聪明的年轻人。贝尔马上设计了一个助音箱的草图。他们急盼成功，一时找不到材料，就把床板拆了下来。两人一齐动手，连夜赶制。待木箱做好，发明家一连两天两夜没有合眼，到第三天傍晚，终于改装竣工。当时正值夏令，天气炎热，贝尔和沃特森浑身汗水淋淋，脸上却显露着兴奋之色。两人心里都感觉到：成败在此一举！
他们架好了导线。贝尔在实验室里，将门紧闭，沃特森在隔着几个房间的另一端，把受话器紧贴耳际。准备就绪，贝尔对着送话器呼唤起来：“听见了吗？沃特森。”
沃特森屏声静息地听着，受话器里的声音开始细如游丝，旋即清晰嘹亮。沃特森喜不自禁，急呼贝尔的名字：“贝尔！我听见了！听见了！”这时，两人欣喜若狂，互相大喊起来。
贝尔和沃特森不约而同地推开大门，向对方奔去。两个战友中途在走廊上相遇，热泪盈眶，一呼先生，一呼沃特森，互相拥抱起来。历史记下了这难忘的时刻，正是1875年6月2日日落之时。晚霞满天，夕照如画，景色十分壮丽。当时贝尔年方28岁，沃特森20岁。两个敢作敢为的青年，克服重重困难，终于把电话变成了现实。他们勇于创新的精神，直到现在还为人们所赞扬。
当天夜里，贝尔怀着激动的心情给妈妈写信说：“今天对我来说是个重大日子。我们的理想终于实现了！我觉得把电线架设到房子里的日子就要来临，朋友们将不必离开家就可以互相交谈啦……”
出色的宣传家
贝尔趁热打铁，对样机又作了进一步的改良。经过半年的努力，制成了世界上第一台可供实用的电话机。1876年2月，贝尔的发明申请了专利，编号174465。
青年发明家本以为电话机必为世人争购使用。但是，他想得过于乐观，社会习惯势力对每一项新事物、新发明，开始都是持怀疑态度的，电话机也不例外。事实很快使贝尔明白：发明电话只是成功的一半，而且是一小半。要使电话为社会承认，还需他们作一番艰苦奋斗。
几个月后，适逢费城举行美国建国百年纪念博览会。这是一次难得的机会，贝尔和沃特森专程赶到，在会上表演用导线通话。游客中不论男女老少都很好奇，围观的人络绎不绝，大为称道。其实，人们为电话机喝彩，不过把它看成新奇的玩具，觉得有趣，谁也没有把它当做实用之物，在博览会主持人的眼里，贝尔和沃特森仿佛是两个杂耍演员。一则因公众囿于旧习，尚无电话通信的概念；二则也因为他们展示的机子，通话距离只有一箭之遥。对于电话机远距离通话的可能性，不论发明家如何解释，人们只是不信。这次博览会，贝尔的电话机初见世面，却并未遇到知音。贝尔痛感要推广电话，不但要提高机器性能，还须进行一场轰轰烈烈的宣传。他大概是美国第一个认识到科普宣传重要性的发明家。
两人回到波士顿，对电话机再加改进，并利用各种场合，宣传电话机的原理和应用前景。
又是两年过去了，1878年贝尔在波士顿和纽约间进行了首次长途电话试验，两地相距300千米。
试验高潮，是用电话转播民歌。按原计划，贝尔和沃特森处各聘一名歌手，但到那时候，沃特森处的歌手还迟迟未到。贝尔急中生智，在电话里急令沃特森出马顶替。当时有数百名女学生前来参观，其中有位金发女孩自告奋勇，帮助青年技师操作电话机。沃特森从来没有当众唱过歌，特别是当着一群妙龄少女的面，实在尴尬。小伙子满面通红，鼓足勇气，放声高歌。电话里顿时传出对方的欢呼和掌声。试验获得意外的成功。
第二天，波士顿一家报纸用头条新闻报道了这次试验，并发表评论道：“这项发明，总有一天可能使长途电信业务完全改观！”
为了扩大影响，推广电话，贝尔和沃特森又在美国各大城市东奔西走，巡回表演。他们是发明家，同时也是不屈不挠的科普宣传家。没有他们的大力宣传，电话的普及谈何容易！发明创造不为世人所理解而被埋没的例子，在历史上是屡见不鲜的。在贝尔发明电话之前几年，有一位名叫勤斯的德国学者也曾制成一个类似的装置，可以传送乐音，但因宣传不力，以至一直湮没无闻。这说明，科普宣传之功，有时并不亚于发明本身。