W 1924 jego praca pt. Recherches sur la théorie des quanta (Badania nad teorią kwantową) wprowadziły jego teorię fal elektronu. Obejmowała ona hipotezę dwoistości cząstkowo-falowej materii, wydedukowaną na podstawie prac dotyczących światła, autorstwa Maxa Plancka i Alberta Einsteina. Recenzenci, niepewni oceny materiału, przedstawili ją Einsteinowi. Ten poparł koncepcję z całego serca, a de Broglie uzyskał swój doktorat. Badania doświadczalne potwierdziły hipotezę de Broglie’a, że każda poruszająca się cząstka lub obiekt, posiada przypisaną sobie falę. Tym samym de Broglie ustanowił nowe pole fizyki, mécanique ondulatoire, czyli mechanikę falową, jednoczącą fizykę energii (fala) oraz materii (cząstka). Dostał za to w 1929 Nagrodę Nobla z fizyki.
W swojej późniejszej karierze de Broglie pracował nad rozwojem przyczynowej interpretacji mechaniki falowej, w opozycji do modeli całkowicie probabilistycznych, jakie zdominowały teorię mechaniki kwantowej. Teoria de Broglie’a została dopracowana przez Davida Bohma w latach 50., i stała się odtąd znana jako teoria de Broglie’a-Bohma.
Oprócz pracy ściśle naukowej, de Broglie rozmyślał i pisał o filozofii nauki, włącznie z wartością współczesnych odkryć naukowych.