Zaczął także interesować się astrofizyką, zaczął pisać pierwsze rozdziały książki Gravitation and cosmology (ukończonej w 1971 roku).
W 1966 roku uzyskał stanowisko wykładowcy (Loeb Lecturer) na Uniwersytecie Harvarda, był także profesorem wizytującym na Massachusetts Institute of Technology. W 1969 roku objął stanowisko profesora fizyki na tej uczelni. W 1973 roku, gdy Julian Schwinger odszedł z Uniwersytetu Harvarda, Weinberg objął tam stanowisko profesora. Współpracował także z Smithsonian Astrophysical Observatory. W 1982 roku przeniósł się na University of Texas at Austin.
W 1967 roku sformułował teorię opisującą zarówno oddziaływania słabe, jak i oddziaływania elektromagnetyczne. W 1973 roku tzw. „elektrosłaba teoria” Weinberga została potwierdzona doświadczalnie w akceleratorach cząstek.
Poglądy
Weinberg krytykował kryterium falsyfikowalności w fizyce jako zbyt restrykcyjne. Bronił przy tym hipotez Wieloświata przed zarzutami nienaukowości oraz pewnych form zasad antropicznych John Horgan, Nobel Laureate Steven Weinberg Still Dreams of Final Theory, Scientific American, blogs.scientificamerican.com, 1 maja 2015 [dostęp 2022-01-11].. Wyrażał opinię, że Wszechświat jest rządzony przez fundamentalną „teorię ostateczną”, jednak wątpił w możliwość znalezienia jej w XXI wieku.