В 1875 году Рентген стал полным (действительным) профессором физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 году вернулся в Страсбург, чтобы приступить там к чтению курса теоретической физики.
Экспериментальные исследования, проведенные Рентгеном в Страсбурге, касались разных областей физики, таких как теплопроводность кристаллов, пьезо– и пироэлектрические свойства, магнетизм и др., по словам его биографа Отто Глазера, снискали Рентгену репутацию «тонкого классического физика-экспериментатора». В 1879 году Рентген был назначен профессором физики Гессенского университета, в котором он оставался до 1888 года, отказавшись от предложений занять кафедру физики последовательно в университетах Йены и Утрехта. В 1888 году он возвратился в Вюрцбургский университет в качестве профессора физики и директора Физического института, где продолжил вести экспериментальные исследования широкого круга проблем, в т ч. сжимаемости воды и электрических свойств кварца.
В 1894 году, когда Рентген был избран ректором университета, он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в вакууме.
Вечером 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Почему он светится? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызвать свечения, катодная трубка была выключена, да и вдобавок закрыта черным чехлом из картона. Рентген еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, он забыл ее выключить. Нащупав рубильник, ученый выключил трубку. Исчезло и свечение экрана; включил трубку вновь – и вновь появилось свечение. Значит, свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи задерживаются чехлом, да и воздушный метровый промежуток между трубкой и экраном для них является броней. Так началось рождение открытия.
Оправившись от минутного изумления, Рентген начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные им икс-лучами. Оставив футляр на трубке, чтобы катодные лучи были закрыты, он с экраном в руках начал двигаться по лаборатории. Оказывается, полтора-два метра для этих неизвестных лучей не преграда. Они легко проникают через книгу, стекло, станиоль… А когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране силуэт ее костей! Фантастично и жутковато! Но это только минута, ибо следующим шагом Рентгена был шаг к шкафу, где лежали фотопластинки: надо увиденное закрепить на снимке. Так начался новый ночной эксперимент. Ученый обнаруживает, что лучи засвечивают пластинку, что они не расходятся сферически вокруг трубки, а имеют определенное направление…
Утром обессиленный Рентген ушел домой, чтобы немного передохнуть, а потом вновь начать работать с неизвестными лучами. Пятьдесят суток – дней и ночей – были принесены на алтарь небывалого по темпам и глубине исследования. Были забыты на это время семья, здоровье, ученики и студенты. Он никого не посвящал в свою работу до тех пор, пока не разобрался во всем сам. Первым человеком, кому Рентген продемонстрировал свое открытие, была его жена Берта. Именно снимок ее кисти, с обручальным кольцом на пальце, был приложен к статье Рентгена «О новом роде лучей», которую он 28 декабря 1895 года направил председателю Физико-медицинского общества университета. Статья была быстро выпущена в виде отдельной брошюры, и Рентген разослал ее ведущим физикам Европы.
Первое сообщение Рентгена о его исследованиях, опубликованное в местном научном журнале в конце 1895 года, вызвало огромный интерес и в научных кругах, и у широкой публики. «Вскоре мы обнаружили, – писал Рентген, – что все тела прозрачны для этих лучей, хотя и в весьма различной степени».
Вечером 6 января 1896 года из Лондона по телеграфу было передано сообщение: «Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо».
Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей Берте Рентген – жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей. Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, в частности, к открытию радиоактивности. С тех пор открытие немецкого физика навсегда вошло в арсенал медицины, дефектоскопии и др.
Открытие Рентгена вызвало огромный интерес в научном мире. Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. В Москве их повторил П.Н. Лебедев. В Петербурге изобретатель радио А.С. Попов экспериментировал с икс-лучами, демонстрировал их на публичных лекциях, получая различные рентгенограммы. В Кембридже Д.Д. Томсон немедленно применил ионизирующее действие рентгеновских лучей для изучения прохождения электрического тока через газы. Его исследования привели к открытию электрона.
Рентген опубликовал еще две статьи об икс-лучах в 1896 и 1897 годах, но затем его интересы переместились в другие области.
Росла и слава Рентгена, хотя ученый относился к ней с полнейшим равнодушием. Ученый не стал брать патент на свое открытие, отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания. Вдобавок ко всему он умудрился восстановить против себя самого кайзера Германии Вильгельма II.
В 1899 году, вскоре после закрытия кафедры физики в Лейпцигском университете, Рентген стал профессором физики и директором Физического института при Мюнхенском университете. Находясь в Мюнхене, Рентген узнал о том, что он стал первым лауреатом Нобелевской премии 1901 года по физике «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».
Рассказывает Л.В. Бобров: «Это было в декабре 1901 года. Рентген узнал, что ему присуждена Нобелевская премия – первая за работы в области физики. Он не хотел ехать в шведскую столицу, однако его уговорили: таков, мол, порядок. Зато уж там, получив премию из рук самого кронпринца, он постарался поскорее стушеваться, так и не выступив перед многочисленной аудиторией, хотя двое других его коллег-лауреатов – профессор Вант-Гофф из Берлина и профессор Беринг из Галле – произнесли пространные речи, положив тем самым начало непреложной традиции. Потом, правда, на банкете во время торжественного акта в музыкальной академии Рентген был вынужден сказать несколько слов, но то была обычная официальная благодарность. Лишь по возвращении в Мюнхен, где его ждали цветы, растроганный Рентген произнес слова, шедшие от самого сердца. Он сказал, что не имеет намерения желать присутствующим того же, что выпало на его долю. Известность – это не так важно в конце концов. Ибо самая прекрасная и самая высокая радость, которую может познать каждый, над какими бы проблемами он ни работал, – это радость поиска, наслаждение достигнутым решением. И по сравнению с этим глубочайшим внутренним удовлетворением любое признание – ничто…»
При презентации лауреата К.Т. Одхнер, член Шведской королевской академии наук, сказал: «Нет сомнения в том, сколь большого успеха достигнет физическая наука, когда эта неведомая раньше форма энергии будет достаточно исследована». Затем Одхнер напомнил собравшимся о том, что рентгеновские лучи уже нашли многочисленные практические приложения в медицине.
Хотя самим Рентгеном и другими учеными много было сделано по изучению свойств открытых лучей, однако природа их долгое время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 года в Мюнхенском университете, где с 1900 года работал Рентген, М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей.