I 1925, mens han ennå var meget ung, oppdaget Goudsmit sammen med studiekameraten George Uhlenbeck at forholdene i atomspektrene som en til da ikke hadde kunnet forklare ut fra Bohr-modellen, fikk sin forklaring om en tenkte seg at elektrodene hadde et spinn, en egenrotasjon. Oppdagelsen ble til å begynne med ikke lagt vekt på av fagmiljøene. Men senere grep andre fatt i problematikken, og oppdagelsen ble særdeles viktig innen kvantemekanikken og særlig for forståelsen av strukturen til atomer og atomkjerner.