Posteriormente, en 1905 trasladouse á Universidade Humboldt de Berlín como profesor e director do Instituto de Química Física. En 1922 foi nomeado presidente do Instituto Fisicotécnico de Berlín-Charlottenburg, cargo que deixou en 1933. Desde entón dedicouse ao estudo da electroacústica e astrofísica.
Casou con Emma Lohmeyer en 1892 con quen tivo dous fillos e tres fillas.[1]
Desenvolveu o chamado "teorema da calor", segundo o cal a entropía dunha materia tende a anularse cando a súa temperatura aproxímase ao cero absoluto, e que constitúe a Terceira Lei da Termodinámica. Recibiu o premio Nobel de Química, premio que foi anunciado o 10 de novembro de 1921 e entregado aquel mesmo ano.
Desenvolveu tamén unha teoría osmótica para explicar e determinar o potencial dos eléctrodos dunha pila de concentración e formulou a lei de distribución dunha materia entre dúas fases dadas.
Inventou a chamada lámpada de Nernst, cuxo filamento (constituído por óxidos de circonio e itrio) faise condutor ao quentarse, podendo alcanzar temperaturas superiores en máis de 1000 °C ás doutras lámpadas, máis eficaz que as antigas lámpadas de arco de carbón e que adoita empregarse como fonte de raios infravermellos.
A partir de 1933 dedicouse ao estudo da electroacústica e a astrofísica, inventou unha microbalanza, así como un piano eléctrico en colaboración coas compañías Bechstein e Siemens, e no que utilizou amplificadores de radio.