從1923年到1928年這5年中，泡利一邊進行教學工作，一邊開始從事量子物理學的研究。他專攻的首要課題就是反常塞曼效應。反常塞曼現象深深地迷住了他，在他的宿舍裏，桌子上、床上到處都是演算的草稿，窗台上老是放著未吃完的麵包，他從早到晚不上運動場，也不去音樂廳，總是寫啊，算啊，可是卻一直沒有頭緒，因此他總是整天愁眉苦臉的。
當然，泡利沒有把反常塞曼效應的問題完全解決。事實上，當時波動力學還沒有發展起來，要想完全解決這個問題也是不可能的。但是，他把塞曼效應的研究用來正確地解釋光譜線的精細結構，這是電子所具有的一種在經典力學中找不到的新性質。為了解釋這種精細結構，泡利用一個新的隻能取兩個值的量子數來描述電子，這個新量子數就是電子自旋的投影，他後來因此發現了電子自旋。這個新量子數的存在和泡利所做的解釋都得到了證實。
新量子數的發現為泡利最重要和最著名的發現做了準備。1925年，這方麵的研究終於使他發現了自然界的一條基本規律——泡利不相容原理。在泡利提出這個原理之前，朗德、索末菲和玻爾等人都相信堿金屬原子中被價電子圍繞的那部分組成，具有角動量，這角動量是磁反常的原因。至於這部分組成為什麼具有角動量和磁矩，則誰也說不出道理。
泡利不相容原理認為：一個原子中不能有兩個或更多的電子處在完全相同的量子狀態。應用這個原理可以很好地解釋原子內部的電子分布狀況，從而把由玻爾的原子理論不能圓滿解釋的元素周期表的分布規律說得一清二楚。這個重要發現使泡利在20年後，即1945年，獲得了諾貝爾物理學獎。
從1928年起，他擔任了慕尼黑聯邦工業大學的理論物理學教授，他在這裏一直工作到去世。近30年的時間裏，他一直堅持不懈地刻苦鑽研，他以自己非凡的智慧，憑借科學的預想和不斷創新的精神攀登著一個又一個的科學高峰。
20世紀20年代物理學家們發現：在原子核放出電子的β衰變過程中，放射出來的電子所攜帶的能量，並不和原子核所損失的質量相對應。經測定，放出電子所帶走的總能量要小一些，也就是說，在β衰變過程中有能量“虧損”的現象。
那麼，這一部分虧損的能量到哪裏去了呢?大家都知道，能量是不能創造也不能消滅的，隻能由一種形式轉化為另一種形式。麵對這種情況，人們猶豫、彷徨。1930年，玻爾甚至準備放棄能量守恒原理，因為他認為，能量守恒在微觀粒子作用過程中不一定成立，這樣就可以解釋β衰變中的能量虧損現象了。
玻爾是泡利的良師益友，兩人之間有著深厚的友情。可是泡利並未因此而放棄自己的觀點，他不相信在自然界中惟獨β衰變過程違反守恒定律。為了“挽救”能量守恒原理，找到能量虧損的真實原因，他思索著，鑽研著……終於，在1931年他大膽地提出了自己的科學假想——
他假設存在一種新的粒子，它伴隨β粒子從核中發射出來，但此種粒子質量很微小，不超過電子質量的萬分之一，不帶電，穩定，由此滿足每次β衰變事件中能量守恒。並且為了使β衰變中自旋守恒，他還假設這種粒子的自旋為1/2。1932年，費米把這種粒子稱為“中微子”，意思就是“微小的中性小家夥”。
泡利的中微子假說提出以後，令人信服地說明了β衰變中失蹤能量的去向，圓滿地解決了這個矛盾。然而由於中微子沒有電荷也沒有質量，就像個“幽靈”般神秘莫測，許多物理學家憂慮地認為，這不過是泡利為了維護能量守恒定律，使能量在數值上達到平衡而想像出的不切實際的幻影。
在巨大的壓力麵前，泡利沒有屈服，仍以科學的態度嚴肅認真地進行著科學研究。經過漫長的25年後，1956年，美國洛斯·阿拉莫斯科學實驗室終於第一次直接觀測到中微子，證實了中微子的確是存在的。泡利比此前許多偉大的科學家幸運得多，他終於親眼看到了自己的科學假說變成了現實，他欣慰地笑了。
泡利在量子力學、量子場論和基本粒子理論方麵的卓越貢獻，特別是他的不相容原理和β衰變中的中微子假說等，在理論物理學的發展史冊上譜寫了輝煌的一頁。他的名字與相對論、量子力學和量子場論緊緊地聯係在一起，人們稱讚他為“當之無愧的理論物理學家”、“理論物理學的心髒”。
作為一個理論物理學家，泡利的最後一項重要工作是研究場論中的各種分立對稱性，他證明了每個洛侖茲不變拉格朗日場論，在CTP(電荷共軛、時間反演、宇稱)操作下是不變的，而C、T和P不必分別是對稱的。不久之後泡利就發現，在弱相互作用中，例如在β衰變中，對稱是不守恒的，即P單獨是不守恒的，這一發現使他激動萬分。
正當他在科學的高峰上奮力攀登的時候，卻不幸患了重病，1958年12月14日在瑞士蘇黎世逝世，享年58歲。