В 1921 году Паули работал на кафедре теоретической физики Гёттингенского университета. Там он познакомился с Н. Бором и в 1922 году начал работать у него в копенгагенском Институте теоретической физики, помогая переводить статьи Бора на немецкий язык. В то время Бор искал закономерности заполнения электронных оболочек атома. Было непонятно, почему у атома не все электроны находятся на самой нижней орбите, что было бы энергетически выгодно.
Пытаясь объяснить эту проблему, Паули впервые ввел понятие спина (вращения) электрона. А в 1925 году сформулировал один из важнейших принципов современной квантовой физики:
две одинаковые квантовые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии,
т. е. не могут в одном и том же месте иметь одинаковые значения всех четырех квантовых чисел, которые характеризуют их свойства.
То есть если два электрона находятся на одной орбите, то есть значения их трех квантовых чисел — главного, орбитального и магнитного — совпадают, то значения четвертого — спинового — должны быть разными. Это значит, что одну орбиту могут занимать не более двух электронов.
За это открытие Паули в 1945 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Принцип Паули установил закономерности, которыми связаны электроны при заполнении электронных оболочек атомов. А это послужило объяснением наблюдаемой в экспериментах тонкой и сверхтонкой структуры атомных спектров.
В 1927 году Паули объяснил происхождения парамагнетизма металлов. Он установил, что электроны в металлах подчиняются не классическим статистическим законам, а квантовой статистике, основанной на принципе запрета. В 1929 году Паули совместно с В. Гейзенбергом сформулировал основы квантовой электродинамики. Они разработали общую теорию квантования полей. Кроме того, Паули является автором фундаментальных исследований по теории элементарных частиц, а также предложил мезонную теорию ядерных сил.
В 1931 году Паули предположил существование нейтральной частицы с нулевой массой покоя и спином ½. Итальянский физик Энрико Ферми назвал позже эту частицу «нейтрончиком» — нейтрино. Экспериментально нейтрино было обнаружено только в 1954 году. Также Паули был известен тем, что в его присутствии чувствительная экспериментальная аппаратура прекращала нормально работать или просто ломалась. Это явление было названо Эффектом Паули.
В начале декабря 1958 года Вольфганг Паули заболел и вскоре, 15 декабря, умер. Похоронен в Цюрихе.