1929 entdeckte er zusammen mit Karl Friedrich Bonhoeffer die Wasserstoffmodifikationen Ortho- und Parawasserstoff. 1934 entdeckte er zusammen mit Rutherford und Mark Oliphant das Wasserstoffisotop Tritium. Im selben Aufsatz berichteten die drei über die erste gezielte Kernfusionsreaktion (Deuterium-Deuterium).
K. F. Bonhoeffer, P. Harteck: Experimente über Para- und Orthowasserstoff. Berlin 1929. In: Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. Phys.-Math. Klasse 1929, S. 103–108.
K. F. Bonhoeffer, P. Harteck: Die Eigenschaften des Parawasserstoffes. In: Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. 35 (1929), S. 621–623.
K. F. Bonhoeffer, P. Harteck: Weitere Versuche mit Parawasserstoff. In: Die Naturwissenschaften. 17 (1929), S. 321–322.
M. Oliphant, P. Harteck, E. Rutherford: Transmutation Effects observed with Heavy Hydrogen. In: Proc Roy Soc. A144 (1934), S. 692–703.
Michael Schaaf: Der Physikochemiker Paul Harteck (1902–1985). Stuttgart 1999, DNB957287119.
Michael Schaaf: Heisenberg, Hitler und die Bombe. Gespräche mit Zeitzeugen. GNT-Verlag, Diepholz 2018, ISBN 978-3-86225-115-5 (darin: "Heisenberg und Weizsäcker haben sich überschätzt." ein Gespräch mit Paul Harteck)
Annalena Stegmann, Achim Habekost: Paul Harteck und die Uranmaschine. In: Nachrichten aus der Chemie. 62 (2014), S. 137–141.