Oppenheimer ble raskt en av de store forskerne innen kvantemekanikk. Fra 1926 til 1929 publiserte han seksten store bidrag til kvantefysikk. I 1927 mottok Oppenheimer sin doktorgrad 'med utmerkelse' fra Max Born om teoretiske undersøkelser av spektre. Deretter takket han ja til en stilling som adjunkt i Berkeley i California. I 1928 besøkte han Europa igjen på et forskningsstipend. Faren Julius døde i 1937, og etterlot ham og broren en betydelig formue. Oppenheimer dannet en aktiv skole for teoretiske fysikere i California. At det i datidens atmosfære, preget av den spanske borgerkrigen, var vanlig med kommunistiske tendenser blant intellektuelle, inkludert mange av Oppenheimers venner, ble senere tolket negativt i McCarthy-perioden.