Получив докторскую степень в 1911 г., Бор отправился в Кембриджский университет в Англию, а затем переехал в Манчестер, чтобы принять участие в исследованиях Эрнеста Резерфорда. Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, послужила толчком к новым исследованиям в этой области. Летом 1912 г. ученый вернулся на родину.
В течение следующих лет Бор продолжал работать над проблемами, касающимися ядерной модели атома, ив 1913 г. создал свою собственную теорию. Резерфорд оценил важность его трудов и предложил работать в Манчестерском университете. В 1914—1916 гг. Бор преподавал там, а потом получил должность профессора в Копенгагенском университете.
В 1920 г. Бор основал Институт теоретической физики в Копенгагене и руководил им до конца своей жизни. Под его руководством институт сыграл ведущую роль в развитии квантовой механики. В течение 1920-х гг. модель атома, предложенная Бором, была заменена более сложной квантовомеханической моделью, основанной на исследованиях его студентов и коллег.
Нобелевской премией по физике Бор был награжден «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».
В 1930-х гг. ученый обратился к ядерной физике. Он теоретически попытался объяснить результаты бомбардировки атомных ядер нейтронами, полученные Энрико Ферми и другими учеными. Бор предложил капельную модель ядра, соответствующую многим наблюдаемым реакциям. В 1939 г. ученый определил, что ядра одного из обычных изотопов урана (уран-235) могут расщепляться. Это открытие оказало существенное влияние на разработку атомной бомбы.
В первые годы Второй мировой войны Бор продолжал работать в Копенгагене над теоретическими деталями деления ядер, но в 1943 г. бежал с семьей в Швецию, а оттуда – в Англию. Создание атомной бомбы он считал технически неосуществимым, но все-таки принял участие в работе над Манхэттенским проектом в Лос-Аламосе и сделал ряд технических разработок. Несмотря на это, его больше волновало применение нового оружия в будущем, и поэтому Бор пытался убедить президента США Франклина Рузвельта и премьер-министра Великобритании Уинстона Черчилля в необходимости установления контроля над вооружениями. Однако его усилия не увенчались успехом.
После войны ученый принимал участие в основании Европейского центра ядерных исследований и Нордического института теоретической атомной физики в Копенгагене. В эти годы Бор продолжал выступать за мирное использование ядерной энергии и предупреждал об опасности ядерного оружия.
Ученый был членом более двух десятков ведущих научных обществ и с 1939 г. являлся президентом Датской королевской академии наук. Он получил высшие награды многих ведущих мировых научных обществ, включая медаль Макса Планка Германского физического общества и медаль Копли Лондонского королевского общества. Он обладал почетными учеными степенями крупнейших университетов: Оксфордского, Кембриджского,