Nakon srednje škole odlučio je s prijateljima istražiti povijesnu njemačku regiju Frankoniju, no na putovanju se teško razbolio. Za vrijeme oporavka čitao je knjigu „Prostor, vrijeme, materija“, autora Hermanna Weyla, u kojoj je predstavljena matematička formulacija Einsteinove teorije relativnosti.

Unatoč tome što nije u potpunosti razumio matematički jezik, knjigom je bio toliko oduševljen da je odlučio upisati studij matematike na Sveučilištu u Münchenu.

Bez obzira na obeshrabrujuće riječi „U tom slučaju ste u potpunosti izgubljeni za matematiku“, koje mu je na konzultacijama odrješito rekao matematičar Ferdinand von Lindemann, od znanosti nije odustao, pa je na očev savjet odlučio krenuti putem teorijske fizike.

Sastao se s profesorom Arnoldom Sommerfeldom, koji je pohvalio njegovu revnost i preporučio rješavanje jednostavnijih problema prije upuštanja u složenije. Sastanak sa Sommerfeldom svakako je mladom Heisenbergu bio važan poticaj za odluku o upisu studija teorijske fizike. Tri godine kasnije, stekao je doktorat iz fizike, nakon čega je surađivao s Maxom Bornom u Göttingenu i s Nielsom Bohrom u Kopenhagenu.

1925. godine zajedno s Maxom Bornom i Pascualom Jordanom, Heisenberg objavljuje tri rada koji se smatraju temeljnima, i u kojima je trojac iznio prvu matematičku formulaciju kvantne mehanike temeljene na matričnom računu. Nekih pola godine kasnije Erwin Schrödinger objavljuje svoju teoriju valne mehanike za koju je pokazao da je ekvivalentna Heisenbergovoj.

Dvije godine kasnije, 1927. godine, objavljuje rad u kojem iznosi svoje načelo neodređenosti koje upućuje na to da ne možemo proizvoljnom točnosti istodobno odrediti položaj i količinu gibanja, ali i da je to ograničenje same prirode, odnosno da čestice nemaju istovremeno točno definiranu poziciju i brzinu. U klasičnoj fizici ako znamo položaj i količinu gibanja objekta onda možemo odrediti putanju tog objekta dok u kvantnoj mehanici to nije slučaj. Ovo svojstvo je posljedica valno-čestične dualnosti elektrona, fotona i ostalih elementarnih čestica.

Heisenberg iz relacija neodređenosti zaključuje da je apsolutni determinizam nemoguć, odnosno da je nesigurnost u mjerenju posljedica fizičkih ograničenja, a ne mjernog postava. Ovaj argument bio je jedna od glavnih točaka prijepora za fizičare oko interpretacije kvantne mehanike koja je u konačnici usuglašena kroz pet Solvayevih konferencija, a objedinjena u takozvanoj kopenhagenskoj interpretaciji kvantne mehanike čiji su glavni zagovornici bili Heisenberg i Bohr.

Heisenberg je za svoj doprinos nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku 1927. godine. Utjecaj njegovih ideja osobito je vidljiv u područjima kvantne mehanike, hidrodinamike, feromagnetizma i filozofije fizike.