Gemeinsam mit dem amerikanischen Physiker James Franck studierte Hertz die Wirkung von Elektronenstößen auf Atome. Die Ergebnisse dieser Experimente gelten als erster Beweis der Quantentheorie des deutschen Physikers Max Planck. Hertz und Franck konnten dafür 1925 den Nobelpreis für Physik in Empfang nehmen.
Hertz war Professor für Experimentalphysik an der Universität Halle (1925-1927) und an der Technischen Hochschule Berlin (1928-1935), danach übernahm er das Amt des Direktors im Siemens-Forschungslaboratorium Berlin. Im Jahre 1945 ging Hertz in die Union der Sozialistischen Sowjetrepubliken (UdSSR), um dort weiter in der Atomforschung tätig zu sein. Er erhielt 1951 den Stalinpreis.