Estudió las energías de unión de núcleos atómicos en el ámbito de la microfísica ("Bethe-Weizsäcker-Formel", "Tröpfchenmodell", 1935) e investigó los procesos de generación de energía nuclear en el interior de las estrellas ("Bethe-Weizsäcker-Zyklus", 1937/1938).