La colaboración con Theodor von Karman en la teoría de la estructura de cristales le llevó a un nuevo campo de estudio, la dinámica de las redes cristalográficas, cuya aplicación más inmediata fue el desarrollo de la teoría einsteiniana sobre el calor específico de los sólidos. 
En 1921 fue nombrado director del Instituto de Física de la universidad de Gotinga y, con la colaboración de sus ayudantes Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg y Pascual Jordan, dirigió sus intereses al campo de la mecánica cuántica. Resaltó el papel esencial desempeñado por la idea de partícula y trató de reconciliar esa idea con el concepto de onda. Elaboró la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, diversas técnicas de cálculo y numerosos trabajos de física atómica, molecular y de los sólidos.
Obtuvo el Premio Nobel en 1954.