Heisenberg, fizik alanındaki eğitimine Münih ve Göttingen üniversitelerinde devam etti. Doktorasını 1923 yılında Göttingen'de tamamladı. Max Born ve Niels Bohr gibi önemli fizikçilerle çalıştı ve onların teorik fizik alanındaki etkileyici çevrelerinden etkilendi.
Heisenberg, kendi geliştirdiği matematiksel bir formülasyon olan matris mekaniği ile kuantum mekaniğini tanımladı. Bu, kuantum sistemlerini matrisler aracılığıyla ifade etmeyi içeriyordu ve bu yaklaşım, daha sonra Schrödinger tarafından geliştirilen dalga fonksiyonları ile birleştirilerek daha geniş bir kuantum mekaniği çerçevesini oluşturdu.
Heisenberg, belirsizlik ilkesini 1925 yılında formüle etti. Bu ilke, bir parçacığın belirli çift özelliklerinin (örneğin konum ve momentum) aynı anda tam olarak belirlenemeyeceğini söyler. Belirsizlik ilkesi, kuantum mekaniğinde temel bir prensip olarak kabul edilir ve mikroskobik ölçeklerdeki olayların doğasını anlamamıza yardımcı olur.
Heisenberg, belirsizlik ilkesiyle elde ettiği başarı nedeniyle 1932 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Ödül, onun kuantum mekaniğine yaptığı temel katkılara verildi.
Heisenberg, Nazizm döneminde Almanya'da önemli bir fizikçiydi. Ancak, Nazi rejimi ile olan ilişkisi ve tutumları konusunda tartışmalar vardır. Savaş sonrasında, Heisenberg, atom enerjisi ve nükleer enerji konularındaki çalışmalarına devam etti.
Werner Heisenberg'in belirsizlik ilkesi ve kuantum mekaniği konusundaki çalışmaları, fizikte büyük bir devrimin başlangıcına işaret etti ve modern teorik fizik alanında temel taşlardan biri olarak kabul edilir.