Mellom 1942 og 1945 ledet han Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik i Dahlem og underviste som professor ved Humboldt-universitetet i Berlin, hvor han deltok i hærens uranprosjekt. Hans rolle i tysk kjernefysisk forskning under andre verdenskrig har gjort ham kontroversiell siden det kunne ha ført til at Nazi-Tyskland hadde fått utviklet atomvåpen. I etterkrigstiden ble han utnevnt til leder av Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik, en stilling han hadde inntil han ble overflyttet til München da det ble utvidet og omdøpt til Max Planck-instituttet for fysikk og astrofysikk. Han var sentral i utviklingen av den første vesttyske kjernefysiske reaktoren i Karlsruhe. Heisenberg ble i 1957 utnevnt til den tyske ordenen Pour le Mérite für Wissenschaften und Künste.