W roku 1921 otrzymał stanowisko profesora fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Rostocku. Tutaj dołączył do swego przyjaciela, Maxa Volmera. Pobyt w Rostocku pozwolił mu na poszerzenie swych horyzontów myślowych i na zawarcie nowych znajomości. Nie pozostał on jednak w mieście długo. W roku 1923 objął stanowisko dyrektora w nowo powstałym Instytucie Chemii Fizycznej na Uniwersytecie w Hamburgu.
W roku 1922 Stern przeprowadził wraz z Walterem Gerlachem eksperyment zwany doświadczeniem Sterna-Gerlacha dotyczącym przestrzennej kwantyzacji spinowego momentu pędu.
Stany Zjednoczone (1933–1969) Po dojściu Hitlera do władzy w roku 1933 wyemigrował do Stanów Zjednoczonych. Do 1945 roku był profesorem na Carnegie Institute of Technology w Pittsburghu. Tam też przystąpił do budowy laboratorium molekularnego, choć ze względu na trudności gospodarcze nie był w stanie rozbudować swej pracowni do tego poziomu jaki miała pracownia w Hamburgu. Następnie już jako professor emeritus osiadł na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Sporadycznie utrzymywał kontakty z miejscowymi fizykami, lecz unikał już publicznych wystąpień.
Brał udział w eksperymencie , w którym zbudowano pierwszy stos atomowy pod kierownictwem Enrica Fermiego.