Dopo essersi dedicato a studi umanistici, in seguito le riflessioni sui fondamenti della scienza lo portarono allo studio della fisica teorica.
Intraprese diverse ricerche insieme al fratello Maurice, specialmente nel campo della spettroscopia dei raggi X.
Egli ha posto le basi della meccanica ondulatoria, proponendo l'estensione del dualismo corpuscolare-ondulatorio a tutte le particelle elementari, in forma coerente con la "teoria dei quanti".

Nel 1905 Einstein aveva formulato l'ipotesi della doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, della luce; De Broglie estese questa teoria alle particelle elementari: ipotizzò, infatti, che ad ogni corpuscolo in moto fosse associata un'onda, stabilendo una relazione fra la lunghezza d'onda associata e l'impulso della particella.
In seguito, i lavori sperimentali di Davisson e Germer sulla diffrazione degli elettroni, che è un fenomeno perfettamente analogo alla diffrazione luminosa, confermarono le ipotesi che De Broglie aveva formulato solo in via teorica.

Per queste ipotesi è stato insignito del premio Nobel per la Fisica nel 1929.

E' stato inoltre professore di fisica teorica all'università di Parigi (1928) e "socio straniero" dell'Accademia Nazionale dei Lincei, dal 1958.