במהלך חופשת חג המולד של 1911 וינואר 1912 היה הפיזיקאי פאול פטר אוואלד בשלבי סיום כתיבת התזה לדוקטורט בהדרכת זומרפלד. היה זה בינואר, במהלך טיול משותף ב"גן האנגלי" (Englischer Garten) שבמינכן, שאוואלד סיפר לפון לאואה על נושא התזה שלו. אורכי הגלים שהטרידו את אוואלד היו בספקטרום של האור הנראה ולכן ארוכים בהרבה מהמרווח שבין המהודים (רזונטור – מכשיר להגברת עוצמת הגל על ידי תהודה) במודל הגביש של אוואלד. לאואה נראה שקוע בהרהורים ותהה מה תהיה התוצאה אם ייעשה שימוש בקרניים אלקטרומגנטיות בעלות אורכי גל קצרים הרבה יותר כפי שהייתה אז ההשערה המקובלת לגבי טיבן של קרני רנטגן. הוא שיער שקרנים כאלו יגרמו במצב זה לתופעה של עקיפה או התאבכות וגבישים יכולים להיות תווך שיגרום לתופעה כזו. העיקרון שעל פיו הציע פון לאואה לקבל את תמונת הגביש הוא על ידי הקרנת הגביש בקרינת רנטגן קוהרנטית, האלקטרונים בגביש מפזרים חלק מהקרינה בהפרשי פאזה קבועים ביחס לקרניים הפוגעות, עוצמת הקרינה המוחזרת תלויה בכיוון הקרן ההתחלתית ובכיוון המדידה, מכאן ניתן להסיק לגבי הכיווניות של קבוצות האטומים בגביש, ובהנחה שמבנה החומר הגבישי הוא מחזורי לאפיין את מבנה החומר הנבדק. לאואה שוחח על הרעיון בזמן שעסק בסקי עם עמיתיו וין וזומרפלד, והם העלו התנגדויות. למרות התנגדותו של זומרפלד החלו ולטר פרידריך (Walter Friedrich) שהיה אסיסטנט של זומרפלד ופאול קְניפּינג (Paul Knipping) מה-LMU לערוך ניסויים כשהם מקרינים קרני רנטגן על גבישים של נחושת גופרתית שמאחוריהם הונחו לוחות הצילום. לאחר כמה כישלונות הצליחו השניים להוכיח שהרעיון של לאואה נכון. לאואה עיבד את הניסוח המתמטי של הניסוי וביוני של אותה שנה דיווח זומרפלד לחברה הפיזיקלית (Physikalische Gesellschaft) של גטינגן על התגלית. לתגלית זו היו שתי תוצאות משמעותיות: היא הוכיחה שקרני רנטגן הן אכן קרינה אלקטרומגנטית והיא הראתה דרך חדשה לחקר המבנה האטומי של הגבישים. על תגלית זו קיבל מקס פון לאואה פרס נובל לפיזיקה בשנת 1914. עם זאת, נתקל פון לאואה בבעייתיות בהתאמת התמונות המתקבלות מהחזרת קרני הרנטגן. בעיה זו נפתרה על ידי הצוות ויליאם ולורנס בראג (אב ובנו). על פתרון זה זכו גם הם בפרס נובל לפיזיקה שנה לאחר שלאואה זכה בו.
בנאומו בטקס קבלת פרס נובל התייחס לאואה בהומור לקלות היחסית שבה הגיע אל הרעיון:
בזמן שהיה במינכן, בין 1910 ל-1911, כתב לאואה את הכרך הראשון של ספרו על תורת היחסות הפרטית.
ב-1912 עבר לאואה ללמד באוניברסיטת ציריך כפרופסור שלא מן המניין לפיזיקה.
ב-1913 הוענק לאביו מעמד אצולה העובר בירושה, ולאואה הפך אז ל"פון לאואה".
מ-1914 ועד 1919 היה פון לאואה פרופסור מן המניין לפיזיקה באוניברסיטת פרנקפורט. כחלק מהמאמץ הגרמני במלחמת העולם הראשונה הוא עסק החל מ-1916 בפיתוח שפופרת הריק באוניברסיטת וירצבורג לשם שימוש בטלפוניה וקשר רדיו צבאיים.
ב-1919 נקרא פון לאואה לכהן כפרופסור מן המניין לפיזיקה עיונית באוניברסיטת הומבולדט בברלין, משרה בה החזיק עד 1943, כאשר הוכרז בהסכמתו כאמריטוס (תוארו של פרופסור שיצא לגמלאות אך עדיין נכלל בסגל האקדמי) שנה לפני גיל הפרישה המחייב. ב-1919, השנה בה החל פון לאואה ללמד בברלין, היו באוניברסיטה כמה מדענים מפורסמים, ביניהם ולטר נרנסט, פריץ הבר וג'יימס פרנק. פון לאואה, כאחד מהמארגנים של הסמינר השבועי לפיזיקה בברלין, נהג לשבת בשורה הראשונה יחד עם נרנסט ואלברט איינשטיין שהגיע מהמכון לפיזיקה על שם הקיסר וילהלם (Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik בראשי תיבות KWIP - כיום מכון מקס פלאנק לפיזיקה) בברלין שהיה מנהלו. בין תלמידיו הידועים של פון לאואה באוניברסיטה היו לאו סילארד, פריץ לונדון, מקס קולר (Max Kohler), וארנה ובר (Erna Weber). ב-1921 הוציא פון לאואה לאור את הכרך השני של ספרו על תורת היחסות הכללית.
כיועץ למכון הפיזיקלי-טכני של הרייך (Physikalisch-Technische Reichsanstalt – כיום המכון הפיזיקלי-טכני הפדרלי), שמקום מושבו היה בשרלוטנבורג בברלין, פגש פון לאואה את ולטר מייסנר שחקר את תחום מוליכות העל. מייסנר גילה ששדה מגנטי חלש מתנוון עד לאפס בתוך על-מוליך, תופעה הידועה כאפקט מייסנר. ב-1932 הראה פון לאואה שסף גודל השדה המגנטי הנדרש על מנת להרוס את מוליכות העל משתנה בהתאם לצורת הגוף. פון לאואה פרסם בסך הכול 12 ספרים על מוליכות על. אחד מהספרים נכתב במשותף עם פריץ לונדון ואחיו היינץ.
האגודה לקידום המדע על שם הקיסר וילהלם (Kaiser-Wilhelm Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften) נוסדה ב-1911. מטרתה הייתה לקדם את המדעים על ידי הקמה ותחזוקה של מכוני מחקר. אחד המכונים היה "המכון לפיזיקה על שם הקיסר וילהלם" שנוסד בפרבר דאלם (Dahlem) שבברלין ב-1914 כשאלברט איינשטיין מונה לנשיא. פון לאואה היה נאמן של המכון מ-1917, וב-1922 מונה לסגן נשיא, ונטל מאיינשטיין את המטלות האדמיניסטרטיביות. איינשטיין היה במסע מחוץ לגרמניה כשאדולף היטלר נבחר לקנצלר בינואר 1933, והוא לא חזר לגרמניה. פון לאואה הפך למנהל בפועל של המכון, משרה בה החזיק עד 1946 או 1948, למעט תקופה מ-1935 עד 1939 כאשר פטר דביי היה מנהל המכון. על מנת להבטיח שהצוות לא ייפגע מהפצצות בעלות הברית עבר המכון ב-1943 לעיירה הכינגן (Hechingen, כיום במדינת באדן-וירטמברג). בהכינגן כתב פון לאואה את ספרו "היסטוריה של הפיזיקה" (Geschichte der Physik), שתורגם אחר כך לשבע שפות נוספות.
ההתנגדות לנאציזם.
פון לאואה התנגד לנאציזם באופן כללי ולפיזיקה הגרמנית (Deutsche Physik - תנועה לאומנית של פיזיקאים גרמניים) שלהם בפרט. הנאצים רדפו את הפיזקאים היהודים ופיזיקאים שהיו ממוצא יהודי, בין היתר, פסלו את תורת היחסות של איינשטיין כ"פיזיקה יהודית". פון לאואה עזר בחשאי לעמיתיו המדענים שנרדפו על ידי המדיניות של הנאצים להגר מגרמניה, אבל הוא התנגד לנאצים גם בגלוי. כיושב ראש האגודה הגרמנית לפיזיקה, הוא נשא את נאום הפתיחה בכנס הפיזיקה של 1933. בנאומו הוא השווה את רדיפת תורת היחסות ועבודתו המדעית של איינשטיין שכונתה "פיזיקה יהודית" על ידי חסידי "הפיזיקה הגרמנית" לרדיפות כנגד גלילאו ודיכויים של הרעיונות המדעיים של קופרניקוס על המודל ההליוצנטרי. פון לאואה גם מנע הענקת חברות באקדמיה הפרוסית למדעים (Preußische Akademie der Wissenschaften) ליוהנס שטארק שהיה נאצי. לאחר שפריץ הבר שהיה יהודי מומר אולץ להגר מגרמניה כתוצאה מהחוק לשיקום שירות המדינה המקצועי, ומת כמה חודשים אחר־כך בשווייץ, פרסם פון לאואה מודעת אבל אשר שיבחה את האבר והשוותה את ההגירה הכפויה שלו לגירוש תמיסטוקלס מאתונה. במלואת שנה למותו של האבר ארגנו מקס פלאנק ופון לאואה אזכרה לזכרו בדאלם-ברלין ב-29 בינואר 1935, יום אחד לפני יום השנה השני לעליית הנאצים לשלטון. אף על פי שהשלטון הנאצי אסר על הפרופסורים בשירות הציבורי להשתתף באזכרה, ורבים יוצגו בטקס על ידי נשותיהם, פון לאואה וּוולפגנג הויבנר (Wolfgang Heubner) היו הפרופסורים היחידים שנכחו באירוע.
הנאום ומודעת האבל של פון לאואה זיכו אותו בנזיפות ממשלתיות. בתגובה להפסקת חברותו של שטארק באקדמיה הפרוסית למדעים, פיטר שטארק בדצמבר 1933 את פון לאואה ממשרתו כיועץ למכון הפיזיקלי-טכני של הרייך, משרה שבה החזיק מ-1925.
אחרי מלחמת העולם השנייה.
ב-23 באפריל 1945 נכנסו כוחות צרפתיים להכינגן וביום שלמחרת הגיעה נציגות של משימת אלסוס – מבצע שנועד לחקור את המאמץ הגרמני לפיתוח אנרגיה אטומית, להחרים ציוד, ולמנוע שהמדענים הגרמנים יפלו לידי הרוסים. היועץ המדעי למבצע היה הפיזיקאי ההולנדי-אמריקני סמואל חאודסמיט (Samuel Goudsmit), שהופיע בביתו של פון לאואה כשהוא חבוש בקסדת פלדה. פון לאואה הושם במעצר, נלקח להנגטינגטון, אנגליה ונכלא יחד עם עשרה מבכירי הפיזיקאים הגרמנים, ובתוכם ורנר הייזנברג, בחווילה (Farm Hall) באזור קיימברידג'. הפיזיקאים נעצרו במטרה למנוע מהרוסים לשים עליהם את ידם ובמיוחד למנוע ממידע על פרויקט הגרעין לדלוף עד תום המלחמה נגד יפן. הפיזיקאים זכו ליחס טוב שכלל מגרשי טניס ופסנתר, ומתקני ציתות עקבו אחרי השיחות ביניהם.
פון לאואה היווה דוגמה לשאר העצורים כי ניתן היה לשרוד תחת המשטר הנאצי מבלי להתפשר. עובדה זו גרמה לניכור בינו לבינם. בזמן שהיה עצור באנגליה כתב פון לאואה מאמר על בליעה חלשה של קרני רנטגן בתנאי התאבכות, והוא הודפס ב-1948 ב"אקטה קריסטלוגרפיקה" (ביטאונו של האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה אותו ערך מיודעו של פון לאואה, פאול פטר אוואלד). ב-2 באוקטובר 1945 נלקחו שלושה עצורים, פון לאואה, אוטו האן (Otto Hahn) וורנר הייזנברג להיפגש עם הנרי הלט דייל (Henry Hallett Dale), נשיא החברה המלכותית. במפגש זה הוזמן פון לאואה להשתתף בכינוס של החברה המלכותית לזכרו של וילהלם רנטגן, מגלה קרני רנטגן שיועד להתקיים ב-9 בנובמבר 1945, אך הרשויות הצבאיות שהיו אחראיות למעצרו של פון לאואה לא הסכימו להרשות לו להשתתף.