尽管海森伯从不自认为唯物论者，但在我们看来，他的上述论点是完全符合自然科学的唯物主义传统的，这对他一生的科学工作确实有决定性的影响。
在索末菲的指导下，海森伯通过对湍流的研究于1923年7月获得了博士学位，之后就到哥丁根大学作玻恩的助手。1924年3月，他第一次访问了哥本哈根。7月，他在哥丁根大学取得授课的资格。1924年底到1925年初，他到哥本哈根在被尔指导下从事研究。以后，他又回到哥丁根。1925年6月，他在因枯草热病到海利戈兰特疗养期间第一个创建了矩阵力学——量子力学的一种形式体系，发表了题为《关于运动学和力学关系的量子论的重新解释》的一篇物理学史上划时代的论文。
在创建矩阵力学的过程中，海森伯遵循了自然科学的唯物主义传统。他从原子物理学大量实验结果（主要是原子光谱中里兹组合原则、弗兰克-赫兹的原子电子碰撞实验、玻尔频率关系等〕所揭示的辐射和原子能级的不连续性（即量子性）出发来建立他的理论，又以实验结果来检验他的理论。结果表明，量子力学不仅能够解释旧量子论能够解释的实验结果，还能够解释旧量子论所不能解释的许多实验结果（例如氦光谱特征、带光谱中半量子数的存在、光电子的连续空间分布和放射性蜕变现象等）。
海森伯创建矩阵力学的指导思想是“在原子领域内，经典力学不再有效”。他反对他的老师玻尔、索末菲等先验地把经典力学中的位置、速度、轨道概念强加给原子中的电子，而主张代之以原子光谱的频率、波长、强度等可观测量。他这样做，自称是受到马赫的实证论哲学的影响。实际上他在这里是应用了经验论，反对了唯心论的先验论。
海森伯的矩阵力学应用并推广了玻尔提出的对应原理。对应原理要求：量子理论得到的结果对于大量子数应当收敛于经典力学得到的那些结果。从1918年到1925年，玻尔等物理学家在旧量子论中运用对应原理，通过天才的猜测和人为的拼凑，已得到许多重要的结果。海森伯的重大贡献是把对应原理推广到整个力学体系。当量子数很大或普朗克常数可以略而不计时，量子力学的公式就趋近于经典力学的公式。这样，海森伯就把猜测性的、零散的量子论发展成为一个逻辑一贯的、严密的形式体系。它反映了原子层次微观客体的基本运动规律，并揭示了它与宏观客体基本运动规律之间的联系。
在海森伯首创矩阵力学以后，他又和玻恩、约尔丹协作，继续努力发展矩阵力学。1926年，奥地利的卓越物理学家薛定谔在德布罗意的物质渡假说的基础上，将波动力学与经典力学的关系类比于物理光学与波动光学的关系，从而创建了波动力学，提出了以他命名的薛定谔方程。以后不久，薛定谔又证明海森伯、玻恩、约尔丹创建的矩阵力学和波动力学是等价的，可以通过数学变换从这种形式转化为另一种形式。同年，波恩指出了薛定谔方程中的fai 函数可以给出大量微观客体性状的统计分布或是单个微观客体具有某种性状的几率。
1927年 3月，海森伯发表了《量子论运动学和力学的直观内容》一文，提出了著名的测不准关系（又名不确定原理〕。海森伯不回避矛盾，敢于承认微观客体具有波粒二重性，它们不同于经典物理学中的粒子，也不同干经典物理学中的波，应用经典的波或粒子图象来描述微观客体时，必须受到测不准关系的限制。
接着波尔就提出了互补原理。这个原理认为，对于微观客体，波动图象和粒子囹象是互相排斥的，但是又相互补充。关于微观客体位置的知识和动量的知识（又如时间的知识和能量的知识）是互补的概相互排斥，又相互补充人关于原子事件的时空表示和它的决定论性因果描述是互补的（既相互排斥，又相互补充，即统计地关联起来）。关于互补原理的作用，至今仍存在许多不同的意见。但它承认矛盾的两极，多少有点辩证法的因素，对冲破经典物理学中机械决定论观念的束缚也起了积极作用。海森伯在1958年也曾指出：“在量子论的认识论分析中，尤其是在玻尔所给予它的形式中，还包含着许多会使人想起黑格尔哲学方法的特征。”
1927年秋，26岁的海森伯成为莱比锡大学理论物理学教授，被人称为“德国最年轻的教授”。在他和德拜周围，先后聚集了一批杰出的青年物理学家物布洛赫、供特、派埃尔斯、斯莱透、泰勒、韦斯科夫、威札克尔等五、六十人，我国物理学家王福山也曾在莱比锡学习〕。他们把量子力学推广应用到分子结构理论、原子核物理、固体物理、金属的电磁性等等方面，作出了巨大的成绩，犹如一次所向披靡的凯旋进军。海森伯本人就在铁磁性理论方面作出了重要贡献。莱比锡的这支队伍成了哥本哈根学派的重要支柱。
1929年，海森伯曾到美国、日本、印度讲学，1930年出版了以芝加哥讲演稿为基础的《量子论的物理原理》一书，宣扬量子论的“哥本哈根精神”，在国际物理学界有广泛的影响。他成了以被尔为首的哥本哈根学派的主要代表人物。
1932年5月，英国物理学家查德威克发现了中子。接着海森伯和两个苏联物理学家分别独立地提出了原子核由中子和质子组成的理论。就在这一年，海森伯因创建量子力学（矩阵力学）和提出测不准关系而获得诺贝尔物理学奖。
1933年，希特勒上台，给德国的科学带来深重的灾难。许多杰出的犹太族科学家受到残酷迫害，纷纷逃亡。莱比锡的科学队伍也逐渐离散。爱因斯坦创建的相对论被当作犹太人的物理学险遭取缔。“运动物体中时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨”。1937年，海森伯因支持相对论也遭到纳粹分子的攻击。那时，海森伯正从事宇宙线的研究。他根据相对论，认为1937年发现的μ子的蜕变时间应当同它的速度有关。实验结果证实了这个预言，“从而为〔大学中〕开设相对论课程开辟了道路”，所以海森伯“对μ子总是怀有感激之情”。
1942年，海森伯担任柏林大学教授并兼任威廉皇家物理研究所所长。在这时期他参加领导研制重水型原子反应堆的工作。在二次大战期间，他发表了《原子核物理学》（1943年）一书，编辑出版了《宇宙辐射论文集》（1943年）。1945年5月，他和德国其他一些科学家一道被美国军队俘至英国，到1946年才获释返回西德。
二次大战以后，海森伯积极为恢复发展西德的科学事业而努力。他参加了重建威廉皇家学会（1948年以后改名为普朗克学会）及所属研究机构的工作，担任哥丁根大学教授兼普朗克物理研究所所长。1958年以后到1970年，他担任慕尼黑大学教授兼普朗克物理和天体物理研究所所长。自1949年以后，他曾先后担任德意志科学研究委员会（DFR）主席、德意志科学研究联合会（DFG）主席、洪堡基金会主席、普朗克学会副主席、西德政府原子问题部顾问等职。
在科学研究工作方面，海森伯自1957年以后，主要从事基本粒子统一场论的研究。最初他和泡利合作。但到第二年泡利就放弃了这项艰巨的工作并于年终因病逝世。以后，海森伯就和青年物理学家迪尔（海森伯和泰勒的学生〕一起从事这项工作。海森伯坚持这项工作直到他去世之日。在这方面海森伯发表了《基本粒子理论导论》（1962）、专著《基本粒子统一场论导论》（1966）。
海森伯在基本粒子统一场论中把所有的基本粒子都看成是同一的原始物质的不同形象（海森伯认为这种说法和赫拉克利特的哲学有相同之处）。原始物质可以用旋量场表示，并满足一个叫做宇宙方程的非线性方程。他希望从解这个方程能推导出各种基本粒子的存在和性质。他在1970年发表的《物理学的终结？》一文中谈到：“基本粒子物理学有必要寻求一个新的更加全面的理想形式，它应当把相对论和量子论作为极限情况，它应该说明复杂的基本粒子谱，就象量子力学能够说明比如铁原子的复杂光谱一样。”他在《基本粒子统一场论导论》中指出：基本方程并不完全决定所有其他物理部门的定律。例如，电磁定律、放射性和引力还同宇宙模型、大尺度宇宙结构这些有关基态的边界条件有关。而且宇宙方程也不可能包含与生命有关的复杂现象。所以，海森伯认为，建立基本粒子统一场论并不意味着物理学的终结。
1975年3月5日，海森伯在德意志物理学会年会上作了题为《基本粒子是什么？》的报告。（见本书第185－199页。）他认为，到了基本粒子层次，“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了。”“分割”与“组合”等词已失去了意义。他反对把电子、质子等又看成是小行星系那样的复合系统，他反对近年来取得相当进展的“夸克”假说。他强调探索物质的基本的动力学。海森伯和迪尔的这条研究路线是否能够取得成功？这只能有待于今后关于基本粒子的理论研究和科学实验来作出恰当的结论。