Il devient professeur à l'université de Louvain en 1927en belgique. Ses travaux s'appuient sur les théories d'Albert Einstein (relativité générale), d'Alexander Friedmann (expansion de l'univers) et d'Edwin Hubble (voies lactées).
En 1927, Georges Lemaître commence à formuler sa théorie sur l'expansion de l'univers dans une note intitulée : "Un univers de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques".
. Il précise cette théorie dans un mémoire important publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Il y explique que plus on remonte le temps, plus les systèmes stellaires se rapprochent. A un moment donné, l'univers se condense en un seul atome. L'éclatement de ce gigantesque atome primitif provoque l'expansion de l'univers : c'est la fameuse "théorie du Big Bang". En 1933, Lemaître l'approfondit et il connaît sa plus grande gloire. Ses pairs le reconnaissent en effet comme le "leader" de la nouvelle physique cosmologique.