Fisico teorico, Heisenberg, ha contribuito in modo fondamentale all'elaborazione ed allo sviluppo della meccanica quantistica, teoria che ha reso possibile un notevole approfondimento nella comprensione della natura.

Laureato nel 1923, nel 1927 divenne professore di fisica teorica all'università di Lipsia. Nel 1932 fu insignito del premio Nobel per la fisica per il suo contributo allo sviluppo della meccanica quantistica.
Nel 1941 divenne direttore del Kaiser Wilhelm Institut für Physik di Berlino.

Prigioniero di guerra in Inghilterra, ritornò in Germania e dal 1948 diresse il Max Planck Institut für Physik di Gottinga ed infine il Max Planck Institut für Physik di Monaco di Baviera (1958).
E' stato "socio straniero" dell'Accademia Nazionale dei Lincei dal 1947.

Già nel 1925 aveva pubblicato un articolo nel quale aveva proposto una reintegrazione dei concetti fondamentali della meccanica classica, capace di rendere conto dei fenomeni, fino ad allora insoluti, del "moto" degli elettroni nell'atomo e dei livelli di energia nei diversi stati stazionari di un atomo, rivelati dalla regolare successione delle frequenze spettrali.

Uno dei risultati più noti del lavoro di Heisenberg è l'omonimo "principio di indeterminazione", enunciato nel 1927, secondo il quale è impossibile determinare esattamente e contemporaneamente la posizione e la velocità di una particella.
Verificata la perfetta concordanza dei suoi risultati con la teoria della meccanica ondulatoria di De Broglie, Heisenberg, insieme a Max Born, arrivò a formulare l'equazione generale per cui è possibile calcolare la possibilità che una particella ha di trovarsi in un dato punto dello spazio.

In seguito estese l'interpretazione quantistica al nucleo atomico, riconoscendo quali componenti fondamentali i protoni e i neutroni e descrivendo in termini di equazioni quantistiche le forze di interazione agenti fra queste particelle.

Nell'ultimo periodo della sua vita intraprese l'ambizioso tentativo di formulare una teoria unitaria capace di predire il numero, le caratteristiche e il comportamento delle particelle elementari, che in quegli anni venivano individuate in gran numero, grazie allo studio approfondito della radiazione cosmica ed alla costruzione dei grandi acceleratori.