Usai masa pertamanya di CERN, Berners-Lee menjadi direktur teknis di Image Computer Systems di Bournemouth. Di sana, ia mendalami jaringan komputer, grafis, dan perangkat lunak komunikasi. Tahun 1984, ia kembali ke CERN sebagai peneliti dan saat itu CERN sudah menjadi simpul internet terbesar di Eropa. Melihat peluang untuk menggabungkan hypertext dengan internet, pada Maret 1989 ia membuat proposal berjudul Information Management: A Proposal. Inilah cikal bakal lahirnya World Wide Web, sistem yang memungkinkan orang di seluruh dunia berbagi informasi tanpa perlu saling mengirim email. Berners-Lee juga membangun peramban web (web browser) pertama dan server web pertama.
Situs web pertama lahir di CERN pada 6 Agustus 1991 dengan alamat info.cern.ch. Situs ini memuat informasi mengenai proyek Berners-Lee agar orang dapat belajar tentang hypertext dan cara membuat situs sendiri. Dalam waktu singkat, web berkembang pesat. Pada 1992 sudah ada 50 server, dan pada 1994 pengguna web mencapai lebih dari dua juta orang, meski sebagian besar masih di kalangan akademik. Tahun 1994, Berners-Lee mendirikan World Wide Web Consortium (W3C) di Massachusetts Institute of Technology (MIT). Konsorsium ini menjadi wadah perusahaan yang ingin bekerja sama membuat standar web dan mengembangkannya tanpa biaya royalti atau paten. Sampai kini, Berners-Lee masih menjabat sebagai direktur W3C.