1922-1923 kışında Göttingen Universite'sinde Max Born, Frank ve David Hilbert'in yanına fizik çalışmaya gitti. 1923'te Munih Universitesinden doktorasını aldı ve Max Born'un assitanı oldu.
1924'ten 1925 yılına kadar Niels Bohr'la beraber Copenhagen Universitesi' nde çalıştı. 1925 yazında Göttingen'e geri döndü. 1926'da tekrar Niels Bohr'un yanında teorik fizik dersi vermek üzere Copenhagen Universite'sine atandı. 1927'de henüz 27 yaşındayken Leipzig Universite 'si teorik fizik profesörü oldu. 1929 yılında ders vermek için Amerika , Japonya ve Hindistan'ı dolaştı.
1941 yılında Berlin Üniversitesine fizik profesörü olarak atandı ve Kaiser Wilhelm fizik enstütüsünün direktörlüğüne getirildi. 2. dünya savaşı sonunda o ve diğer Alman fizikçiler, Amerikan birlikleri tarafından tutuklanıp İngiltere'ye gönderildiler. Fakat Heisenberg 1946'da Almanya'ya geri döndü. Burada Göttigen Fizik Enstütü'sünü arkadaşları ile birlikte yeniden düzenledi. Bu enstitünün adı daha sonra Max Planck Enstitüsü olarak değiştirildi.
Heisenberg, 1948'de Cambridge'de ders vermek amacıyla bir kaç ay kaldı. 1950 ve 1954'de iki defa Amerika'dan ders vermek için teklif aldı. 1955-1956 kışında İskoçya St. Andrews Üniversitesinde dersler verdi, daha sonra bu dersleri bir kitap olarak yayımladı.
Heisenberg, 1955 yılı boyunca Max Planck Enstütüsü'nden ayrılması için kendisine karşı çalışanlarla uğraştı. Bu arada o hala enstütünün direktörüydü. Bunun için Münih'e gitti. ve 1958'de Munih Universitesine Profesör olarak atandı. Ondan sonra enstitünün adı Max Planck fizik ve Astrofizik enstitüsü oldu.
Heisenberg ismi hep 1925'te yayımlanan Quantum Mekanik Teory ile anılır. Bu teori ve özellikle teorinin hidrojenin özdeş formlarının keşfiyle iligili uygulama alanları yüzünden 1932'de Nobel fizik ödülü aldı. Onun teorisi atom tarafından yayılan radyasyonun gözlemlenmesi temeline dayanır. Teoriye göre, belirli bir zamanda bir elektronun yerini yada (Niels Bohr'un öngördüğü üzere) gezegenlerin yörüngesi gibi elektronların yörüngesini tespit edemeyiz. Pozisyon, hız gibi mekanik değerler sayılar yerine matrices adını verdiği soyut matematiksel yapılarla tanımlanmalıdır. Daha sonra Heisenberg bu teoriyi matrix denklemleriyle formüle etti. Hareketli bir parçacığın momentum ve hızının hesaplanması; kuantum sabiti h ile, ölçülecek değerin çarpımlarından daha küçük olmayacak biçimde belirsizlik taşır kuralını içeren belirsizlik ilkesi(Uncertainty Principle)'ni ortaya attı. Bu belirsizlik insan için ihmal edilebilirsede atom düzeyinde gözardı edilemez.
1957'den sonra Heisenberg Plasma fizik, thermonuclear süreç problemleri ve Genova'daki uluslararası Atomik Fizik Enstütü'süyle sıkı işbirliğinde çalıştı. Birkaç yıl bu enstütünün bilimsel politik komitesine başkanlık etti ve daha sonra üyesi olarak kaldı.
1953'te Alexander von Humboldt vakfının başkanı olduğunda yurtdışından bilim adamlarını davet edip Almanya'da çalışmaları için uğraş verdi. 1953'ten sonra teorik çalışmaları; ona göre temel parçacıkların fiziğini anlamada anahtar olan, ''Birleşik Alanlar Teorisi'' üzerine yoğunlaştı.
1937 yılında Elisabeth Schumacher ile evlenen Heisenberg'ün 7 çocuğu oldu.
Werner Heisenberg, 1 Şubat 1976 tarihinde Münih'te öldü.