Nach seinem Studium war er 1927–1941 Professor in Leipzig, 1942–1945 Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik und Professor an der Universität in Berlin, 1946–1957 Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen und 1958–1970 in München. Sein Name ist eng mit der Entwicklung der Quantenmechanik und der Darstellungsform der Matrizenmechanik verbunden. Nachdem J. Chadwick 1932 das Neutron entdeckt hatte, entwickelte Heisenberg eine Theorie über den Aufbau der Atomkerne. Er erhielt 1932 den Nobelpreis für Physik für die Begründung der Quantenmechanik. Ab 1933 arbeitete er an einer einheitlichen Theorie der Materie über alle in der Natur auftretenden Elementarteilchen. Nach dem Zweiten Weltkrieg hatte er als Präsident des Deutschen Forschungsrates wesentlichen Anteil am Wiederaufbau der Wissenschaft. Er war auch maßgeblich am „Göttinger Manifest“ gegen die drohende atomare Aufrüstung der Bundesrepublik beteiligt.