Nazywany jest Mozartem matematyki. W wieku 17 lat został magistrem, a po profesurę sięgnął skończywszy 24 lata.
Jego badania obejmują analizę harmoniczną, równania różniczkowe cząstkowe, teorię liczb, kombinatorykę, teorię prawdopodobieństwa i wiele innych dziedzin.
W wieku 31 lat, jako pierwszy Australijczyk, został odznaczony Medalem Fieldsa za osiągnięcia w dziedzinie matematyki.
Jest uznawany za twórcę teorii rozszerzającego się Wszechświata oraz jednego z ojców współczesnej kosmologii. Zaproponował koncepcję, która później stała się znana jako teoria Wielkiego Wybuchu.
Jako pierwszy przedstawił proporcjonalność prędkości i odległości wzajemnie oddalających się galaktyk. Jego teoria została następnie potwierdzona przez Edwina Hubble, a finalnie opisana jako prawo Hubble’a-Lemaître’a.
Wraz z Jamesem Dewarem wynalazł kordyt, czyli rodzaj bezdymnego prochu.
Opracował abelit - materiał wybuchowy powszechnie używany w górnictwie. Wynaleziona mieszanina została nazwana jego imieniem.
Prowadził również badania nad bezpieczeństwem przechowywania materiałów wybuchowych, analizą chemiczną, ochroną przeciwpożarową, metodami wykrywania substancji łatwopalnych.
Był doradcą rządu brytyjskiego w sprawach związanych z chemią wojskową i bezpieczeństwem przemysłowym.