Etter to år fikk han sin grad i naturvitenskap og begynte i 1913 å avtjene militærtjeneste som radiotelegrafist. Under første verdenskrig fra 1914 var han stasjonert i Eiffel-tårnet. Med denne bakgrunnen begynte han etter at krigen var over, å arbeide med utforskning av røntgenstråling sammen med broren. Samtidig fulgte han forelesninger av Paul Langevin om kvantefysikk og relativitetsteori ved Universitetet i Paris. Allerede da var han opptatt av idéene til Einstein som beskrive lys både som elektromagnetiske bølger og som lyskvant eller fotoner. Denne beskrivelsen utvidet de Broglie snart i et doktorgradsarbeid i 1924 til også å gjelde for materielle partikler. Dette vakte stor oppmerksomhet og ble videreført av den østerrikske fysiker Erwin Schrödinger som fant ligningen for disse nye materiebølgene. Sammen med verdens ledende fysikere ble han i 1927 invitert til den femte Solvaykonferansen hvor de nyeste resulat innen kvanteteori ble diskutert.