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Travaux en mathématiquesAprès sa soutenance de thèse, il part pour l'Europe, d'abord à Cambridge, où il travaille avec Bertrand Russell et Godfrey Harold Hardy, puis à Göttingen où il suit les cours de Edmund Landau et David Hilbert. Il retourne ensuite à Cambridge, puis aux États-Unis. En 1915-1916, il enseigne la philosophie à Harvard, travaille pour General Electric et ensuite pour Encyclopedia Americana, avant de travailler sur les tables de balistique à Aberdeen Proving Ground, dans le Maryland. Il y reste jusqu’à la fin de la guerre, après laquelle il obtient un poste de professeur de mathématiques au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
En 1926, il épouse Margaret Engemann et retourne alors en Europe comme boursier Guggenheim. Il passe la plupart de son temps à Göttingen ou à Cambridge avec Hardy. Il travaille notamment sur le mouvement brownien, la transformation de Fourier, le problème de Dirichlet, l'analyse harmonique et les théorèmes taubériens. En 1933, il reçoit le prix Bôcher.
Durant la Seconde Guerre mondiale, il refusa de participer au Projet Manhattan (projet de développement de la bombe nucléaire), par contre il travailla activement sur le contrôle de défense antiaérien en artillerie, ce qui l'encouragea à synthétiser ses intérêts pour la théorie de la communication. En 1943, avec ses collaborateurs Arturo Rosenblueth & Julian Bigelow, il proposa un nouveau système de DCA pouvant prévoir la trajectoire de l’avion cible à partir d’un modèle analysant le comportement d’un pilote se sachant pourchassé. De 1946 à 1950, il participa aux fameuses rencontres interdisciplinaires appelées conférences Macy, et en 1947-48 il formalise le principe centrale de ces conférence sous le nom de cybernétique.