Mobilt mätföretag RootMetrics genomförde över 840 000 kontroller, ranking operatörer för tillförlitlighet och hastighet av röst-, data- och texttjänster.
Medan EE dominerade för hastighet, Tre var en nära sekund i fråga om tillförlitlighet under förra årets sex månaders studie.
Vodafone sade att det inte kunde "ta resultaten av denna rapport på allvar och inte heller bör våra kunder".
Bevis tyder på att vissa tester "fördes ut på ett inkonsekvent sätt", det lade till i ett uttalande.
O2 rankad på andra plats i hastighetsindexet, men dess tillförlitlighet var lägre än EE eller Tre i testerna.
Varje operatör bedömdes av 100 i en rad kategorier – prestanda, samtalsprestanda, mobilt internet, text, nättillförlitlighet och näthastighet.
EE presterade bäst i alla kategorier, med tre sekunder i fråga om mobilt internet, texttjänster och nättillförlitlighet.
Källa: RootMetrics
O2 kom på andra plats i kategorierna för anropsprestanda och nätverkshastighet.
Vodafone var sist i alla kategorier utom nätverkshastighet, där det slog tre.
Genomsnittliga hastigheter för nätverk gavs inte eftersom de varierade så kraftigt från område till område, RootMetrics sade.
Inte heller gav studien detaljer om nättäckning och mobila hotspots, även om konsumenterna kan titta på enskilda nätverk prestanda på gatunivå via sin täckning karta.
EE sade resultaten visade att det gav "kunder överallt i Storbritannien den bästa mobilupplevelsen", delvis på grund av sina investeringar i nya 4G-tjänster, större 3G-kapacitet och uppgraderingar till 2G-nät.
Tre sa att studien var "genomförs innan vår lansering av 4G utan extra kostnad, så är inte upp till vår nuvarande prestanda".
Rootmetric's tester såg data forskare täcker en 23.000 miles område i Storbritannien, inklusive urbana och lantliga platser, med 1000 inomhus tester.
De använde off-the-shälf Android-enheter, som hade testprogrammet installerat på dem.
Rootmetrics Bill Moore sade att syftet med testet var att komma så nära en konsumentupplevelse som möjligt, över en rad mätvärden.
"Det är mycket bra att testa hastigheter, men om du inte kan få på nätverket då hastigheten blir irrelevant," sade han BBC.
Han sade vidare att även om alla nätverk stod inför frågan om tappade samtal var det ett mycket större problem i Storbritannien än i USA, där företaget också har genomfört tester.
"Nätverk här har en 2% felfrekvens jämfört med 0,5% i USA", sade han.
Matthew Howitt, en analytiker med forskningsföretaget Ovum, sade att EE:s seger i just denna undersökning utgjorde en avkastning på enorma investeringar i täckning.
"Klart, EE poäng mycket bra och detta återspeglar både deras strategi att vilja fortsätta att vara ett steg före med sitt nätverk och de pengar de har lagt bakom det," sade han.
"Även om Vodafone inte gör så bra poäng i jämförelse, bör de inte skrivas av.
"De har också ambitiösa planer för nätuppgraderingar som håller på att levereras genom 'Projekt Spring'. Men för att resten av branschen ska kunna överbrygga klyftan på EE när det gäller näthastigheter och tillgänglighet kommer det inte att bli utan kamp."
Howitt tillade att konsumenterna kanske vill ha mer detaljerad information från framtida undersökningar.
"Jag misstänker att många kommer att leta efter detta specifikt bröt ut för 4G-nätverk prestanda som de lockas att uppgradera av sina operatörer", sade han.
Kommunikationsregulator Ofcom planerar sin egen mobilundersökning i Storbritannien och kommer inom kort att publicera tjänsteinformation av hög kvalitet för att hjälpa konsumenterna att jämföra mobilnätens prestanda och uppmuntra leverantörer att förbättra sig.
EE har kommit ut på toppen och Vodafone sist i en av Storbritanniens mest omfattande tester av mobila nätverk.