En 1928, il obtient un doctorat en psychologie sous la direction de Karl Bühler avec un mémoire intitulé "Die Methodenfrage der Denkpsychologie" ("Question de méthode en psychologie de la pensée"). En 1929, il put enfin enseigner les mathématiques et la physique au lycée. Il épousa sa collègue Josefine Anna Henninger (1906–1985) en 1930. Craignant la montée du nazisme et l’Anschluss, il commença à écrire le soir et la nuit son premier livre "Die beiden Grundprobleme der Erkenntnistheorie" ("Les deux problèmes fondamentaux de la théorie de la connaissance"). Il avait besoin d’en publier un pour obtenir un poste académique dans un pays plus sûr pour les personnes d’ascendance juive comme lui. Néanmoins, ce n’est pas ce manuscrit en deux volumes qu’il publia, mais une version condensée "Logik der Forschung" ("Logique de la découverte scientifique") en 1934. Il y critiquait le psychologisme, le naturalisme, l’inductionisme et l’empirisme logique, et y exposa sa théorie de la réfutation potentielle comme le critère démarquant la science et la non-science. Entre 1935 et 1936, il prit un congé sans solde pour aller en visite d’étude au Royaume-Uni.