En 1927 fue nombrado profesor de física teórica en la Universidad de Leipzig. Después fue profesor en las universidades de Berlín (1941-1945), Gotinga (1946-1958) y Munich (1958-1976). En 1941 ocupó el cargo de director del Instituto Kaiser Wilhelm de Química Física (que en 1946 pasó a llamarse Instituto Max Planck de Física).

Estuvo encargado de la investigación científica del proyecto de la bomba atómica alemana durante la II Guerra Mundial. Bajo su dirección se intentó construir un reactor nuclear en el que la reacción en cadena se llevara a cabo con tanta rapidez que produjera una explosión, pero estos intentos no alcanzaron el éxito esperado. Estuvo preso en Inglaterra después de la guerra.

Mecánica cuántica
Heisenberg, uno de los primeros físicos teóricos del mundo, realizó sus aportaciones más importantes en la teoría de la estructura atómica. En 1925 comenzó a desarrollar un sistema de mecánica cuántica, denominado mecánica matricial, en el que la formulación matemática se basaba en las frecuencias y amplitudes de las radiaciones absorbidas y emitidas por el átomo y en los niveles de energía del sistema atómico.

El principio de incertidumbre desempeñó un importante papel en el desarrollo de la mecánica cuántica y en el progreso del pensamiento filosófico moderno. Revolucionó tanto la Física del siglo XX como la teoría de la relatividad de Albert Einstein, aunque ambas se aplican en campos generalmente no coincidentes: la Relatividad comenzó en entornos macroscópicos y tiene que ver, sobre todo, con la interacción gravitatoria, mientras que la Mecánica cuántica se dirige, ante todo, al mundo microscópico, donde dominan las otras tres interacciones fundamentales: la electromagnética y las dos nucleares, fuerte y débil.

Las formulaciones en cuestión son la Mecánica de matrices de Heisenberg, Max Born y Ernst Pascual Jordan, y la Mecánica ondulatoria de Schrödinger. La mecánica de matrices abandona el concepto de partículas que se mueven en trayectorias bien definidas, al estilo del átomo de Bohr, preludio de la Mecánica cuántica, y se apoya en la teoría de matrices infinitas de Hilbert. Las dos formulaciones de la Mecánica cuántica resultaron ser equivalentes entre sí.

Su principio de indeterminación
En 1927, Heisenberg formuló su famoso principio de incertidumbre o de la indeterminación, que afirma que es imposible conocer con precisión dos de las magnitudes básicas de la Mecánica: la posición y el momento (o la velocidad, si la masa es constante). De hecho, el producto de las incertidumbres de ambas magnitudes debe ser siempre mayor que una constante que depende de h, la constante de Planck. Existen diversas formas equivalentes del principio de incertidumbre, una de las cuales se refiere a otras magnitudes: la energía y el tiempo. El principio causó gran conmoción entre los físicos, que veían desaparecer la suposición clásica de la precisión absoluta, introduciendo el indeterminismo en las raíces de la estructura del universo y de la materia.

Además, este principio supone la imposibilidad de realizar medidas perfectas, pues el observador, por el mero hecho de medir una de las magnitudes de una partícula, cambia los valores de los demás. Heisenberg utilizó la Mecánica cuántica para predecir el espectro dual del átomo de hidrógeno y explicar el del helio.

Premio Nobel de Física
Después de la II Guerra Mundial, intentó, al igual que Einstein, desarrollar una teoría del campo unificado, basada en entidades matemáticas complejas, parecidas a los vectores, aunque su intento no fue coronado por el éxito. En 1932, Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la Mecánica cuántica de matrices.

Entre sus numerosos escritos se encuentran "Die physikalischen Prinzipien del Quantentheori" (Los principios físicos de la teoría cuántica, 1930), "Cosmic Radiation" (Radiación cósmica, 1946), "Physics and Philosophy" (Física y filosofía, 1958) e "Introduction to the Unified Theory of Elementary Particles" (Introducción a la teoría unificada de las partículas elementales, 1967).