Els seus estudis sobre les aplicacions dels raigs gamma i els fenòmens de ressonància, iniciats a Heidelberg i a Munic i continuats a l’institut tecnològic de Califòrnia, el conduïren al descobriment de l’efecte que porta el seu nom (efecte Mössbauer) i li permeteren d’efectuar mesures molt precises dins el camp de les partícules atòmiques i verificar algunes previsions teòriques d’Einstein. L’any 1961 rebé, juntament amb R. Hofstadter, el premi Nobel de física.