1895年，他完成了一篇《論幾何學的基礎》論文，使他獲得了在劍橋大學做研究員的資格。1897年，他把這篇論文修訂出版，成為他的第一部哲學著作。
1900年7月，羅素到巴黎參加國際哲學會議時遇到了皮亞諾，這件事對羅素的學術生涯來說是一個重大的轉折點。通過聆聽皮亞諾的講話，羅素才意識到數理邏輯對於數學基礎研究的重要性，於是羅素向他請教並表示希望拜讀他的著作，在讀完皮亞諾的有關著作後，羅素很快地掌握了皮亞諾的符號邏輯和思想，在此基礎上他開始了數理邏輯和數學基礎的研究工作，其主要成果是《數學的原理》一書。該書的大部分寫於1900年下半年，全書於1903年出版。從此之後到1914年，羅素與懷特海合作進行這方麵的研究，他撰寫了30餘篇有關論文，1910年至1913年他與懷特海合著的三卷本巨著《數學原理》陸續出版。1919年，他又出版了該著作的通俗讀本《數理哲學導論》。在數學基礎和數理邏輯方麵，羅素的主要成就有兩個方麵，一是他通過建立邏輯類型論來消除邏輯悖論；二是他從一個較為簡單的邏輯係統出發加之少量非邏輯公理推導出經典數學。
羅素發現著名的羅素集合論悖論是在1901年。開始他似乎覺得“所有類這個類是一個類”，後來由於受到康托爾證明沒有最大的基數方法的啟發，“使我考慮不是自己的項的那些類，好像這些類一定成一類，我問自己，這一個類是不是它自己的一項，如果它是自己的一項，它一定具有這個類的分明的特性，這個特性就不是這個類的一項。如果這個類不是它自己的一項。它就一定不具有這個類的分明的特性，所以就一定是它自己的一項．這樣說來，二者之中無論哪一個，都走到它相反的方麵，於是就有了矛盾”。一年以後，羅素將上述結果寫信告訴了弗雷格，弗雷格回答說，羅素悖論的發現使他驚愕之極，由於這個悖論，他的《算術原理》中的第五公理便是錯的，必須給予剔除，於是他認為算術的基礎發生了動搖。
為了消除悖論，羅素首先在《數學的原理》的附錄B中提出了類型論。這個理論以兩條公設為基礎：（1）每一個命題函項φx除了有其真值域外，都有一個意義域，隻要φx是一個命題，無論是真還是假，x必須在這個意義域內取值。（2）命題函項的意義域構成類型，即如果x屬於φx的意義域，則存在一個對象的類，即x的類型，其中所有的對象也應屬於φx的意義域，當然φ可以是各種各樣的，在此基礎上羅素討論了類的類型。就類而言，在最底層的對象是個體，它沒有域，它是最低的類型的對象；接下去依次可以構成對象是個體類的類型，對象是個體類的類的類型，如此等等。因為類隻能由同一類型的對象組成，類相對於其成員是高一級的類型的對象，這樣“自己屬於自己”或“自己不屬於自己”的命題本身是無意義的，於是便避免了羅素悖論的產生，羅素的這種類型論本質上屬於簡單類型論，在用它來處理數、命題或語義學悖論時卻有困難。
為了進一步尋找解決悖論的方法，1906年羅素在論文“關於超窮數和超窮序型理論中的一些困難”中又提出了另外三種理論，即曲折論、限量論和無類論，曲折論是羅素在研究康托爾最大基數悖論後提出的，他認為對命題函項的複雜性應加以限製，隻有非常簡單的命題函項才能決定類，而其他複雜的、費解的命題函項則不能，這樣就可以避免構成一個可以導致悖論的太大的類。
羅素的這個思想後來在W．V．奎因（Quine）1937年的有關數理邏輯的工作中得到發展，限量論是羅素在研究布拉裏-福爾蒂（Burali-Forti）悖論後提出的，它的主要論點是否認全類和不加限製的某些概念的存在性，從而避免過大的類。在無類論中，羅素在摹狀詞理論的基礎上主張取消類作為實體存在的資格，而隻把類看作是一種邏輯的虛構、一種說話的方便而已和一種“不完全的符號”。後來他又把類等同於命題函項。這其間他已經把數理邏輯應用到了哲學。
羅素的分析哲學由此誕生：通過將哲學問題轉化為邏輯符號，哲學家們就能夠更容易地推導出結果，而不會被不夠嚴謹的語言所誤導。羅素認為哲學和其他自然科學的不同隻是在於其研究的方向（哲學研究更廣泛的內容），但他們的研究方法應該是相同的。哲學和數學一樣，通過應用邏輯學的方法就可以獲得確定的答案，而哲學家的工作就是發現一種能夠解釋世界本質的一種理想的邏輯語言。
在倫理學和道德方麵，羅素持的是開放態度，認為過多的道德束縛是人類不幸的根源，道德不應限製人類本能的快樂，因此提倡試婚、離婚從簡和節育等，認為未婚男女在雙方都願意的情況下發生性關係並非是不道德的行為，這種觀點使他在美國遭到激烈抗議，最終還導致他失去了紐約城市大學的教授職務。
1920年羅素訪問俄國和中國，並在北京講學一年。1921年，羅素與前妻離婚後與豆拉·勃拉克結婚，他們育有2個孩子。這期間羅素已經因為參與反戰活動而被校方開除，他通過出版各種有關物理、倫理和教育方麵的書籍謀生。在教育方麵羅素認為學生的言行舉止不應受到約束與限製，在這一思想的影響下他和他的第二任妻子於1927年一起創立了一所試驗學校。
壯士暮年
1931年羅素的哥哥去世，羅素繼承爵位，成為羅素勳爵三世。但是他很少在公開場合這麼稱呼自己，或被別人這樣稱呼。
羅素和豆拉·勃拉克業很快因他與一個美國記者的一段婚外情而告終。1936年羅素再與一名牛津大學學生派屈西亞·斯彭斯結婚，他們最初是在1930年認識的。兩人也生有1個兒子康拉德。他在1944年回到英國，並重新執教於三一學院。1950年11月初，羅素結束在美國的旅行講學，飛赴斯德哥爾摩領諾貝爾獎。兩年後，羅素得了一場重病，險些危及生命，但很快康複。在體味到生與死的挑戰和抉擇後，他更加珍惜生命以及世間一切美好的東西——包括別人的生命，甚至全世界的和平與安寧。在生命的最後20年，他傾注所有的時間和精力致力於和平運動。
羅素是一名和平主義者，他曾反對英國參與第一次世界大戰，並因此被罰款並喪失了三一學院的教職。1918年他還因反戰活動而判刑6個月。在第二次世界大戰之前，他曾支持過綏靖政策，但是後來又支持與納粹德國作戰，因為他意識到希特勒必須被消滅，否則將給人類文明帶來災難。羅素始終認為，任何戰爭都是罪惡的，但是在一些特殊的情況下，戰爭是在很多種罪惡中較輕的一種。
1948年11月20日，在對威斯敏斯特學校學生的一篇演說中，羅素驚人地指出，美國應該先發製人，用核武器徹底摧毀蘇聯，因為這樣的後果要比蘇聯研製出核武器後爆發核戰爭好得多。但是之後羅素改變了看法，認為核武器裁軍是最好的解決辦法，並從此致力於核裁軍運動。1954年氫彈爆破成功，羅素進一步意識到核武器將可能給人類帶來的災難。1954年4月，羅素發表了著名的《羅素—愛因斯坦宣言》，“號召世界各政府體會並公開宣布它們的目的不能發展成世界大戰，而我們號召它們，因此在解決它們之間的任何爭執應該用和平手段”。除了愛因斯坦在臨終前簽字外，湯川秀樹和萊納斯·鮑林等多位科學家都在宣言上簽字。1961年，89歲高齡的羅素參與一個核裁軍的遊行後被拘禁了7天。他反對越南戰爭，和薩特一起於1967年5月成立了一個民間法庭（後來稱為“羅素法庭”），揭露美國的戰爭罪行。在肯尼迪遇刺事件發生後，羅素是最早幾個對官方的事件版本提出異議的人之一，並羅列出了案件的16個疑點。在宗教上羅素相信上帝不存在，但是無法證明。政治上羅素的立場接近於民主社會主義：他支持政府為窮人提供基本的生活保障，但是反對共產政權的極權統治。
1970年1月，羅素發表了他最後一個政治聲明，譴責以色列空襲埃及和巴勒斯坦難民營。1970年2月2日晚，羅素在威爾士平靜地逝去了。他的骨灰被撒在威爾士的群山之中。他的爵位由其與多拉的兒子約翰·康拉德·羅素繼承，為羅素勳爵四世。羅素勳爵四世於1987年去世，爵位由羅素的小兒子康拉德·羅素繼承，為羅素勳爵五世，這位羅素勳爵五世是位受尊敬的曆史學家以及英國上議院成員。羅素勳爵五世於2004年10月去世，爵位由1968年出生的他的兒子，也就是羅素的孫子，尼古拉斯·羅素繼承，為羅素勳爵六世。