和大坂胃肠病院（1950年后改名为汤川胃肠病院）院长汤川玄洋的次女结婚，并入赘汤川家，由小川改姓为汤川。在1935年，他在《日本数学和物理学会杂志》发表“关于基本粒子的相互作用”论文，解释了原子核之内质子与中子之间的相互作用，提出核子的介子理论并预言介子的存在。1947年，英国的塞西尔·鲍威尔等人在宇宙射线中发现了π介子，证实了汤川的核子理论。汤川在1949年获得诺贝尔物理学奖，而鲍威尔也在1950年获得诺贝尔物理学奖。除此之外，他还发表了多篇科学论文及讲义，包括《量子力学入门》（1946年）及