1911年以題為《金屬電子論的研究》的論文取得物理學博士學位。畢業的時候，因為成績優異獲得卡爾斯堡獎學金，前往英國劍橋大學和曼徹斯特大學繼續學習和工作。玻爾在那裏接受盧瑟福教授的指導，兩人結下了深厚的友誼。1913年玻爾任曼徹斯特大學物理學助教，1916年任哥本哈根大學物理學教授，1917年當選為丹麥皇家科學院院士。1920年創建哥本哈根理論物理研究所，任所長。1922年玻爾榮獲諾貝爾物理學獎。1923年接受英國曼徹斯特大學和劍橋大學名譽博士學位。1937年五六月間，玻爾曾經到過我國訪問和講學。1939年任丹麥皇家科學院院長。第二次世界大戰開始，丹麥被德國法西斯占領。1943年玻爾為躲避納粹的迫害，逃往瑞典。在慌亂中，玻爾把一瓶啤酒錯當重水帶走。後來地下組織派人潛回實驗室取出重水，避免了一次後果不堪設想的災難。另外，玻爾在離開實驗室的時候，還忍痛把諾貝爾金質獎章溶解在王水中，一直到1945年大戰結束，玻爾回到實驗室裏，才取出這瓶保存下來的王水，把金沉澱出來，重新鑄成金質獎章。1944年玻爾在美國參加了和原子彈有關的理論研究。1947年丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為“騎象勳爵”。1952年玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心（CERN），並且自任主席。1955年他參加創建北歐理論原子物理學研究所，擔任管委會主席。同年丹麥成立原子能委員會，玻爾被任命為主席。
玻爾是量子力學中著名的哥本哈根學派的領袖，他在物理學上的主要成就是提出了原子結構的“玻爾模型”，以及對於原子核裂變理論的研究。
玻爾分析了盧瑟福提出的原子模型的缺陷，對它作了大膽的改進。1913年，由盧瑟福推薦，玻爾在《哲學雜誌》上發表了題為《原子和分子結構》的文章，他把光的量子學說和原子的有核模型結合起來，提出了關於原子結構的“玻爾模型”，後人也把它叫做“盧瑟福－玻爾模型”。玻爾利用這一模型，對隻有一個電子的氫原子和類氫原子的譜線頻率作出了相當成功的解釋。玻爾的理論在量子論發展曆史上曾經起過很大的作用，有人甚至稱他的論文《原子和分子結構》發表的日期是“現代原子理論的誕生日”。愛因斯坦也稱讚玻爾的理論是“最偉大的發現之一”。由於玻爾對原子物理學做出了開拓性的貢獻，榮獲了1922年底的諾貝爾物理學獎。
玻爾在原子核反應理論和解釋重核裂變現象等方麵，也做出了重要的貢獻。玻爾還提出了著名的“對應原理”，認為微觀運動規律和宏觀運動規律具有互相對應的關係。1922年，他和助手們一起發現了第72號元素鉿。
玻爾是一位出色的教育家，具有卓越的教學才能。他和他的導師盧瑟福一樣，學風民主，平易近人，虛懷若穀，善於向年輕人學習。1961年玻爾訪問蘇聯的時候，有人曾經問他：“您是怎樣成功地創建了第一流的理論物理學學派的？”玻爾不假思索地回答說：“可能因為我從來不感到羞恥地向我的學生承認——我是傻瓜。”的確是這樣，玻爾吸引了世界各地的年輕學者。在他的研究所裏，經常有五六十名外國學者在進行學習和工作。據統計，玻爾在世的時候，全世界有三十多個國家的近千名科學家或長或短地在哥本哈根進修和工作過。玻爾精心培養出了一批出類拔萃的青年物理學家，像海森堡、泡利等為創建量子力學立下豐功偉績的一代英豪。在玻爾的學生和助手中，獲得諾貝爾獎的多達七人。有人說，玻爾把哥本哈根變成了“原子物理學的首都”，真是一點不假。
在這裏值得一提的是，玻爾曾經為中丹人民的友誼和學術交流做出了重要的貢獻。從1937年5月20日起，玻爾偕夫人以及兒子H·玻爾來到中國進行了為期18天的講學和遊覽，受到中國學術界的熱烈歡迎。玻爾在上海、杭州、南京和北平一共做了七次講演，內容都是關於原子物理和核物理方麵的問題。有一次，玻爾參觀北京大學物理實驗室，了解到中國學者也在研究拉曼效應，已經從苯散射的複雜光譜中發現了兩條靠得很近的譜線991和984，並且得到了清晰的照片。他對中國當時能拍下要幾百個小時曝光才能顯影的984譜線大加讚賞。玻爾一直珍視著中丹友誼。他在去世前，曾經囑托他兒子、著名物理學家A·玻爾訪問中國。為了實現父親的遺願，A·玻爾曾經兩次來中國訪問和講學。玻爾訪華已作為中國現代科學史上的一件大事載入史冊。