Une nouvelle branche de la physique se créé alors à partir de ses découvertes sur les propriétés mathématiques de la lumière : la mécanique ondulatoire, mêlant physique de la matière et physique de la lumière. Il se voit alors décerner le prix Nobel de physique en 1929 pour cette découverte, et devient en 1933 membre de l'académie des sciences (le plus jeune alors) dont il sera secrétaire perpétuel en 1942. Plus que physicien, il se révéla être soucieux de mener des réflexions philosophiques sur la valeur des découvertes scientifiques modernes; on lui doit par ailleurs plusieurs ouvrages dont : "Matière et Lumière", "Sur les sentiers de la science", "Certitudes et Incertitudes de la science". Il fut élu à l'Académie Française le 12 octobre 1944 dans des circonstances très spéciales (dues à la guerre) au fauteuil d'Emile Picard. Son entrée sous la coupole fut l'une des plus émouvante, étant donné qu'il y fut reçu par son propre frère, le duc Maurice de Broglie, le 31 mai 1945; ceci ne s'était jamais vu depuis trois cents ans. Il fut enfin élevé, en 1961, à la dignité de Grand-Croix de la Légion d'Honneur.