1912-ben lett a Zürichi Egyetem fizikaprofesszora. Abban az évben elsőként alkalmazott kristályt a röntgensugarak eltérítésére, és ezzel kimutatta, hogy a röntgensugárzás a fényhez hasonlóan elektromágneses sugárzás. Kiállt Albert Einstein relativitáselmélete mellett, kvantumelméleti kutatásokat végzett, foglalkozott a Compton-effektussal, amelynek során bizonyos feltételek mellett megváltozik a fény hullámhossza, és tanulmányozta az atomok bomlását. 1919-től a Berlini Egyetem elméleti fizikai intézetét vezette, 1951-ben a berlini Max Planck Fizikai-kémiai Kutatóintézet igazgatója lett. 1914-ben fizikai Nobel-díjat kapott a kristályokon áthaladó röntgensugarak elhajlásának fölfedezéséért. Eredménye elősegítette a kristályok szerkezetének vizsgálatát, és ez nagyban hozzájárult a modern elektronika kifejlődésében szerepet játszó szilárdtestfizika fejlődéséhez.