Później, do wybuchu II wojny światowej, pracował nad wieloma zagadnieniami dotyczącymi fizyki kwantowej, cząstek elementarnych i kwantowej teorii pola.
W 1932 otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki, za opracowanie podstaw teoretycznych mechaniki kwantowej, której zastosowanie pozwoliło między innymi na odkrycie dwóch form alotropowych wodoru (tzw. trypletowej i normalnej). Nagrodę odebrał w Sztokholmie w 1933. W 1939 został członkiem zagranicznym Królewskiej Holenderskiej Akademii Sztuk i Nauk.
Praca w czasie II wojny światowej W momencie napaści Niemiec na Danię w 1940 Heisenberg przebywał już w Niemczech. Został przez Ottona Hahna ściągnięty do zespołu pracującego na specjalne zlecenie Adolfa Hitlera nad stworzeniem bomby atomowej. Po roku zastąpił Hahna w kierowaniu tym zespołem.
Po wojnie Heisenberg twierdził, że został kierownikiem tych badań, aby maksymalnie je spowolnić i nie dopuścić do wyprodukowania przez hitlerowskie Niemcy bomby atomowej. Na podstawie relacji Heisenberga Thomas Power napisał książkę Wojna Heisenberga, a Michael Frayn sztukę teatralną Kopenhaga (na jej podstawie w 2002 powstał film Kopenhaga), która przedstawia niemieckiego fizyka jako jawnego kolaboranta.