1943-ban kapott kémiai Nobel-díjat „az izotópok indikátorként való alkalmazásáért.” A radioaktív nyomjelzés felfedezője feltárta azt is, hogy módszere alkalmazható az élő szervezet vizsgálatára. Felfedezésével új tudományágat, a nukleáris orvostudományt alapozta meg.
Tudományos tevékenysége

Szinte minden városhoz, ahol hosszabb-rövidebb időt töltött, egy-egy eredménye kötődik.
Manchesterben 1911-től 1914-ig dolgozott. Ez volt az az időszak, amikor az atom szerkezetére vonatkozó alapvető kísérletek folytak, és Rutherford atommodelljét felváltotta a Bohr-féle.
Hevesy Rutherfordtól azt a feladatot kapta, hogy egy uránérc-küldeményből válassza szét az ólmot és a radioaktív sugárzás egyik bomlástermékét, a rádium D-t. Hevesynek, noha rutinos vegyész volt, nem sikerült a különválasztás, hiszen a rádium-D egy sugárzó ólom-izotóp, azaz a különválasztás kémiai eszközökkel lehetetlen. Ugyanakkor zseniális gondolatmenettel, mintegy "talpáról a fejére" állítva az alapkérdést, azt a tételt fogalmazta meg, hogy ha az aktív anyag nem választható el az inaktívtól, akkor a sugárzó rádium D felhasználható az ólom indikátoraként. Ez az elv alapvetőnek bizonyult a nyomjelző izotópok indikátorként való alkalmazásában. (Az izotóp fogalma akkor még nem volt ismert, Hevesy felfedezése hónapokkal előzte meg Frederick Soddy (kémiai Nobel-díj 1921.) fogalomalkotását).
A radioaktív nyomkövetés alapelve készen volt, ám a gyakorlat számára csak akkor lett használható, amikor két évtizeddel később a mesterséges radioaktivitás szinte tetszőleges elem radioaktív nyomon követését lehetővé tette.
Holland munkatársával, Costerrel a koppenhágai ásványtani múzeumtól Norvégiából és Grönlandról származó anyagokat kaptak vizsgálatra. Ezekből a cirkónium tartalmú ásványokból 1922-ben előállították a Koppenhága latin neve után hafniumnak nevezett elemet. Így az 1784-ben tellúrra bukkanó Müller Ferenc után Hevesy volt a második magyar, aki elemet fedezett fel.
A hafnium kitérője után visszatért a nyomjelzéses eljárás továbbfejlesztéséhez, elsősorban a biológiai alkalmazások érdekelték. Freiburgban már ezekre a kutatásokra koncentrált 1926 és 1934 között. Az itt kidolgozott két analitikai módszere, az izotóphígításos analízis és a röntgenfluoreszcenciás analízis az ötvenes évektől terjedtek el világszerte.
Hevesy Koppenhágába visszatérve az éppen felfedezett neutront (James Chadwick fedezte fel 1932-ben, fizikai Nobel-díjat 1935-ben kapott érte) fogta munkába, azaz kidolgozta a neutronaktivációs analízis alapjait.
Stockholmban elsősorban az anyagcsere-folyamatok elemzésével foglalkozott. Kiterjesztette vizsgálatait a vas anyagcseréjére, majd hozzáfogott a vér tanulmányozásához.
Az általa kidolgozott módszereket mind a mai napig rutineljárásként alkalmazzák a klinikákon, így őt tekinthetjük a nukleáris orvostudomány megalapozójának.