Sus contribuciones más importantes a la física fueron:
- En 1932 y 1947 calculó el efecto Lamb combinando la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
- En 1938 encontró el mecanismo de las reacciones nucleares, conocido como el ciclo de Bethe o del carbono (nucleosíntesis estelar), que explica cómo las estrellas producen su energía. Bethe se dio cuenta de que, para entender cómo se realiza la fusión de núcleos de hidrógeno en el interior del Sol, es necesario considerar que el carbono actúa como catalizador.
Ganó el 1967 Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la teoría de la nucleosíntesis estelar.
Como curiosidad comentar que Bethe luego hizo campaña con Albert Einstein y el Comité de Emergencia de Científicos Atómicos contra las pruebas nucleares y la carrera de armamentos nucleares . Ayudó a persuadir a las administraciones de Kennedy y Nixon para que firmaran, respectivamente, el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963 y el Tratado de Misiles Anti-Balísticos de 1972 ( SALT I ).