En 1910, incia su carrera profesional en el Instituto Físico de Viena, donde se introdujo en el campo de la radiactividad.
En el año 1920, se convierte en Profesor Extraordinario de Física Experimental en la Universidad de Graz en Austria y entre 1921 y 1923, obtiene un permiso para trabajar en los Estados Unidos, donde se afianza como director del laboratorio de investigación (creado por él mismo) de la Corporación de Radio estadounidense, en Orange (Nueva Jersey), y como físico consultor para el Departamento de Asuntos Interiores estadounidense (Oficina de Minas), en Washington D.C.
En 1923, vuelve a la Universidad de Graz y, dos años más tarde, fue designado profesor ordinario de física experimental, hasta que, en 1931, fue nombrado profesor en la Universidad de Innsbruck y director del Instituto de Radiología, recién fundado.
Hess inauguró una estación para observar y estudiar rayos cósmicos en la montaña Hafelekar, cerca de Innsbruck.
De sus observaciones, introduciendo aparatos de medida en globos sonda, dedujo que la intensidad de los rayos cósmicos aumenta con la altitud, que su número varía con la latitud y que son un 1,5% más intensos durante el día que por la noche. También estudió la radiactividad terrestre, así como la conductividad eléctrica y el equilibrio de ionización de la atmósfera. Hess abordó esta cuestión primero aumentando considerablemente la precisión del equipo de medición, y luego llevando personalmente el equipo a las alturas en un globo. Durante los años 1911-1912 midió sistemáticamente la radiación a alturas de hasta 5,3 kilómetros. Los atrevidos vuelos se realizaron tanto de día como de noche, con un riesgo considerable para él mismo.
El resultado del meticuloso trabajo de Hess se publicó en las Actas de la Academia de Ciencias de Viena, y demostró que el nivel de radiación disminuía hasta una altitud de aproximadamente 1 kilómetro, pero por encima de ella el nivel aumentaba considerablemente, siendo la radiación detectada a 5 kilómetros, aproximadamente el doble que a nivel del mar. Su conclusión fue que había radiación que penetraba en la atmósfera desde el espacio exterior, y su descubrimiento fue confirmado por Robert Andrews Millikan en 1925, que dio a la radiación el nombre de "rayos cósmicos". El descubrimiento de Hess abrió la puerta a muchos nuevos descubrimientos en física de partículas y nuclear. En particular, tanto el positrón como el muon fueron descubiertos por primera vez en los rayos cósmicos por Carl DAvid Anderson. Hess y Anderson compartieron el Premio Nobel de Física de 1936.
En 1938 se traslada a los Estados Unidos donde fue profesor de Física en la Universidad de Fordham, obteniendo la nacionalidad estadounidense en 1944.
