В 1927 году Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности.
Гейзенбергу была вручена Нобелевская премия по физике 1932 года "за создание квантовой механики, применение которой привело помимо прочего к открытию аллотропических форм водорода". Сразу же после открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году Гейзенберг высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра должны состоять из протонов и нейтронов, удерживаемых силами ядерного взаимодействия.
С 1937 года Вернер Гейзенберг состоял в браке с Элизабет Шумахер. У них родилось семеро детей - четыре дочери и трое сыновей. Гейзенберг был большим любителем музыки и хорошим пианистом. Он часто играл в камерных ансамблях с членами своей семьи.
В Лейпцигском университете Гейзенберг оставался до 1941 года. В
1941 г. Гейзенберг был назначен профессором физики Берлинского университета и директором Физического института кайзера Вильгельма. Он не состоял в национал-социалистической партии Германии, и не был сторонником нацистского режима. Во время войны возглавлял германский проект по атомным исследованиям, надеясь создать атомный реактор и получить ядерную энергию, однако до конца войны эти работы так и не были завершены. 3 мая 1945 года Гейзенберг был взят в плен американскими военными и вместе с другими немецкими физиками перевезен в Великобританию. После изучения союзниками его деятельности во время войны, в 1946 году он вернулся в Германию и занял посты профессора физики Геттингенского университета и директора Института Макса Планка (бывшего Физического института кайзера Вильгельма). Исполняя эти высокие обязанности, Гейзенберг участвовал в программе получения ядерной энергии.
Широко известны его труды по структуре атомного ядра, единой теории поля, теории ферромагнетизма и интереснейшие и глубокие статьи и книги по философским проблемам естествознания.
Гейзенберг был среди тех ученых, которые предупреждали мир об опасности разработки атомной бомбы. Он принадлежал к числу противников вооружения германского бундесвера ядерным оружием.
Гейзенберг был награжден золотой медалью Барнарда (Колумбийский университет) «За выдающиеся научные заслуги» (1929), золотой медалью Маттеуччи (Национальная академия наук Италии) в 1929 году, медалью Макса Планка (Германское физическое общество) в 1933 году, бронзовой медалью Национальной академии наук США (1964), международной золотой медалью Нильса Бора (Датское общество инженеров-строителей, электриков и механиков) в 1970 г.
