Ehrenfests viktigste arbeid fra 1912 frem til 1933 er teorien om adiabatiske invarianter. Det er et konsept avledet av klassisk mekanikk som på den ene siden kan bidra til å presisere visse metoder fra Bohrs atommodell (selv om Ehrenfest opprinnelig ikke aksepterte Niels Bohrs ideer) og på en annen side har en kobling mellom kvantemekanikk og statistisk mekanikk. Han ga store bidrag til kvantemekanikk, inkludert teorien om faseovergang og Ehrenfests teorem, som postulerer at forventningsverdi i et kvantesystem følger klassisk mekanikk. Hans navn er også knyttet til Ehrenfests paradoks, et tilsynelatende paradoks i Relativitetsteorien som fremdeles diskuteres, til ehrenfestmodellen og til ehrenfesttid, tiden som karakteriserer kvantemekanikk for observatører fra klassisk mekanikk.