1926年，在苏黎世联邦工业大学获得化学方面的大学毕业学位，通过在每学期期末回到布达佩斯大学通过课程考试，获得了布达佩斯大学数学博士学位；同年春天，到哥廷根大学任希尔伯特的助手。

1927年—1929年，在柏林大学任兼职讲师，

1929年，转任汉堡大学兼职讲师。

1930年，首次前往美国，成为普林斯顿大学客座讲师，每到夏季就回欧洲。

1933年，担任普林斯顿高级研究院教授。

1937年，当选为美国国家科学院院士。

1940年—1957年，担任马里兰阿伯丁试验弹道研究实验室科学顾问。

1941年—1955年，在华盛顿海军军械局。

1943年，担任制造原子弹的顾问。

1943年—1955年，担任洛斯·阿拉莫斯实验室顾问。

1950年—1955年，担任陆军特种武器设计委员会委员。

1951年—1957年，担任美国空军华盛顿科学顾问委员会成员。

1953年—1957年，担任原子能技术顾问小组成员。

1954年—1957年，担任导弹顾问委员会主席。

1956年4月，进入华盛顿的沃尔特·里德医院。

1957年2月8日，在华盛顿的沃尔特·里德医院逝世，享年53岁。逝世后其未完成的手稿在1958年以《计算机与人脑》为名出版。

约翰·冯·诺依曼的工作大致可以分为两个时期：

1940年以前，主要是纯粹数学的研究：在数理逻辑方面提出简单而明确的序数理论，并对集合论进行新的公理化，其中明确区别集合与类；其后，他研究希尔伯特空间上线性自伴算子谱理论，从而为量子力学打下数学基础；1930年起，证明平均遍历定理开拓了遍历理论的新领域；1933年，运用紧致群解决了希尔伯特第五问题；此外，还在测度论、格论和连续几何学方面做了一定的工作；1936年—1943年，和默里合作，创造了算子环理论，即所谓的约翰·冯·诺依曼代数。

1940年以后，转向应用数学。第二次世界大战开始，因战事的需要研究可压缩气体运动，建立冲击波理论和湍流理论，发展了流体力学；从1942年起，与莫根施特恩合作写作《博弈论和经济行为》一书。约翰·冯·诺依曼对世界上第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分计算机）的设计提出过建议，1945年3月他在共同讨论的基础上起草了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”--EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写）。这对后来计算机的设计有决定性的影响，特别是确定计算机的结构，采用存储程序以及二进制编码等，一直为电子计算机设计者所遵循。1946年，开始研究程序编制问题，他首先研究线性代数和算术的数值计算，后来着重研究非线性微分方程的离散化以及稳定问题，并给出误差的估计。他协助发展了一些算法，特别是蒙特卡罗方法。20世纪40年代末，开始研究自动机理论，研究一般逻辑理论以及自复制系统。在生命的最后时刻他深入比较天然自动机与人工自动机。

约翰·冯·诺依曼的第一篇论文是和菲克特合写的，是关于切比雪夫多项式求根法的菲叶定理推广，注明的日期是1922年。另一篇文章讨论一致稠密数列，用匈牙利文写就，题目的选取和证明手法的简洁显露出约翰·冯·诺依曼在代数技巧和集合论直观结合的特征。

1923年，当约翰·冯·诺依曼还是苏黎世的大学生时，发表了超限序数的论文。文章第一句话就直率地声称“本文的目的是将康托的序数概念具体化、精确化”。他的关于序数的定义，已被普遍采用。强烈企求探讨公理化是冯·诺依曼的愿望，大约从1925年到1929年，他的大多数文章都尝试着贯彻这种公理化精神，以至在理论物理研究中也如此。当时，他对集合论的表述处理，尤感不够形式化，在他1925年关于集合论公理系统的博士论文中，开始就说“本文的目的，是要给集合论以逻辑上无可非议的公理化论述”。

1928年，约翰·冯·诺依曼发表了论文《集合论的公理化》，是对上述集合论的公理化处理。该系统简洁，它用第一型对象和第二型对象相应表示朴素集合论中的集合和集合的性质，用了一页多一点的纸就写好了系统的公理，它已足够建立朴素集合论的所有内容，并借此确立整个现代数学。冯·诺依曼的系统给出了集合论的也许是第一个基础，所用的有限条公理，具有像初等几何那样简单的逻辑结构。冯·诺依曼从公理出发，使用代数方法导出集合论中许多重要概念。20世纪20年代后期，约翰·冯·诺依曼参与了希尔伯特的元数学计划，发表过几篇证明部分算术公理无矛盾性的论文。1927年的论文《关于希尔伯特证明论》的主题是讨论如何把数学从矛盾中解脱出来。文章强调由希尔伯特等提出和发展的这个问题十分复杂，当时还未得到满意的解答。它还指出阿克曼排除矛盾的证明并不能在古典分析中实现。为此，约翰·冯·诺依曼对某个子系统作了严格的有限性证明。此时，1930年哥德尔证明了不完全性定理。定理断言：在包含初等算术(或集合论)的无矛盾的形式系统中，系统的无矛盾性在系统内是不可证明的。至此，约翰·冯·诺依曼只能中止这方面的研究。冯·诺依曼还得到过有关集合论本身的专门结果。他在数学基础和集合论方面的兴趣一直延续到他生命的结束。

1927年，约翰·冯·诺依曼已经在量子力学领域内从事研究工作。他和希尔伯特以及诺戴姆联名发表了论文《量子力学基础》。该文的基础是希尔伯特1926年冬所作的关于量子力学新发展的讲演，诺戴姆帮助准备了讲演，冯·诺依曼则从事于该主题的数学形式化方面的工作。文章的目的是将经典力学中的精确函数关系用概率关系代替之。希尔伯特的元数学、公理化的方案在这个生气勃勃的领域里获得了施展，并且获得了理论物理和对应的数学体系间的同构关系。冯·诺依曼在文章中还讨论了物理学中可观察算符的运算的轮廓和埃尔米特算子的性质，这些内容构成了《量子力学的数学基础》一书的序曲。1932年斯普林格出版社出版了他的《量子力学的数学基础》，它是冯·诺依曼主要著作之一，初版为德文，1943年出了法文版，1949年为西班牙文版，1955年被译成英文出版。

约翰·冯·诺依曼还在量子统计学、量子热力学、引力场等方面做了不少重要工作。客观地说，在量子力学发展史上，冯·诺依曼至少作出过两个重要贡献：狄拉克对量子理论的数学处理在某种意义下是不够严格的，冯·诺依曼通过对无界算子的研究，发展了希尔伯特算子理论，弥补了这个不足；此外，冯·诺依曼明确指出，量子理论的统计特征并非由于从事测量的观察者之状态未知所致。借助于希尔伯特空间算子理论，他证明凡包括一般物理量缔合性的量子理论之假设，都必然引起这种结果。

1930年—1940年间，约翰·冯·诺依曼的研究集中在纯粹数学方面。在他的工作中，希尔伯特空间上的算子谱论和算子环论占有重要的支配地位，这方面的文章大约占了他发表的论文的三分之一。它们包括对线性算子性质的极为详细的分析，和对无限维空间中算子环进行代数方面的研究。算子环理论始于1930年下半年，他十分熟悉诺特和阿丁的非交换代数，很快就把它用于希尔伯特空间上有界线性算子组成的代数上去，后人把它称之为冯·诺依曼算子代数。

1936年—1940年间，约翰·冯·诺依曼发表了六篇关于非交换算子环论文，他在《量子力学的数学基础》中说过：由希尔伯特最早提出的思想就能够为物理学的量子论提供一个适当的基础，而不需再为这些物理理论引进新的数学构思。他在算子环方面的研究成果应验了这个目标。冯·诺依曼对这个课题的兴趣贯穿了他的整个生涯。算子环理论的一个惊人的生长点是由冯·诺依曼命名的连续几何。普通几何学的维数为整数1、2、3等，冯·诺依曼在著作中已看到，决定一个空间的维数结构的，实际上是它所容许的旋转群。因而维数可以不再是整数，连续级数空间的几何学终于提出来了。1932年，冯·诺依曼发表了关于遍历理论的论文，解决了遍历定理的证明，并用算子理论加以表述，它是在统计力学中遍历假设的严格处理的整个研究领域中，获得的第一项精确的数学结果。冯·诺依曼的这一成就，可能得再次归功于他所娴熟掌握的受到集合论影响的数学分析方法，和他自己在希尔伯特算子研究中创造的那些方法。它是20世纪数学分析研究领域中取得的最有影响成就之一，也标志着一个数学物理领域开始接近精确的现代分析的一般研究。此外冯·诺依曼在实变函数论、测度论、拓扑、连续群、格论等数学领域也取得不少成果。

1940年，约翰·冯·诺依曼开始关注当时把数学应用于物理领域去的最主要工具——偏微分方程。研究同时他还不断创新，把非古典数学应用到两个新领域：对策论和电子计算机。冯·诺依曼的这个转变一方面来自他长期对数学物理问题的钟情；另一方面来自当时社会方面的需要。第二次世界大战爆发后，冯·诺依曼应召参与了许多军事科学研究计划和工程项目。

约翰·冯·诺依曼研究过连续介质力学，他对湍流现象一直感兴趣。1937年他关注纳维—斯托克斯方程的统计处理可能性的讨论，1949年，为海军研究部写了《湍流的最新理论》。

约翰·冯·诺依曼因为国防需要研究过激波问题，在碰撞激波的相互作用方面做出了一定的工作，其中有一结果是首先严格证明了恰普曼—儒格假设，该假设与激波所引起的燃烧有关。关于激波反射理论的系统研究由他的《激波理论进展报告》开始。

约翰·冯·诺依曼研究过气象学，他搞出的第一个高度规模化的计算，处理的是一个二维模型，与地转近似有关。

约翰·冯·诺依曼还提出用聚变引爆核燃料的建议，并支持发展氢弹。

1928年，约翰·冯·诺依曼证明了博弈论（对策论）的基本原理，从而宣告了博弈论的正式诞生，博弈论主要指研究社会现象的特定数学方法。它的基本思想，就是分析多个主体之间的利害关系时，重视在诸如下棋、玩扑克牌等室内游戏中竞赛者之间的讨价还价，交涉，结伙，利益分配等行为方式的类似性。

1944年，约翰·冯·诺依曼和摩根斯特恩合著的《博弈论和经济行为》是这方面的奠基性著作。将二人博弈推广到n人博弈结构并将博弈论系统的应用于经济领域，从而奠定了这一学科的基础和理论体系。论文包含了博弈论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际应用的详细说明。这篇论文以及所作的与某些经济理论的基本问题的讨论，引起了对经济行为和某些社会学问题的各种不同研究。

约翰·冯·诺依曼在洛斯阿拉莫斯时期就开始从事电子计算机和计算方法的研究。1944年—1945年间，形成了将一组数学过程转变为计算机指令语言的基本方法。他研究了机器中的固定的、普适线路系统，“流图”概念，“代码”概念。计算机的逻辑图式，现代计算机中存储、速度、基本指令的选取以及线路之间相互作用的设计，都受到约翰·冯·诺依曼思想的影响。

约翰·冯·诺依曼不仅参与了电子管元件的计算机ENIAC的研制，并且还在普林斯顿高等研究院亲自督造了一台计算机。1945年，发表了“存储程序通用电子计算机方案”EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写）。在这过程中，他显示出他的数理基础知识，充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。

1927年，约翰·冯·诺依曼到波兰里沃夫出席数学家会议。

约翰·冯·诺依曼的父亲麦克斯年轻时就已跻身于布达佩斯的银行家行列，母亲是一位善良的妇女，贤慧温顺，受过良好教育。

1930年，约翰·冯·诺依曼和玛丽达·柯维斯结婚。1935年他们的女儿玛丽娜出生在普林斯顿。1937年与妻子离婚，

1938年，与克拉拉·丹结婚，并一起回到普林斯顿。丹随冯·诺依曼学数学，后来成为程序编制家。

1955年夏天，约翰·冯·诺依曼进行X射线检查，查出患有癌症，但他还是不停的工作，病势扩展。后来他被安置在轮椅上，继续思考、演说及参加会议。长期的疾病折磨让他慢慢地终止了他所有的活动。

约翰·冯·诺依曼是二十世纪最重要的数学家之一，在纯粹数学和应用数学方面都有杰出的贡献。

约翰·冯·诺依曼是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，在数学的诸多领域都进行了开创性工作，并作出了重大贡献。鉴于他在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为“计算机之父”。而在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父”。

约翰·冯·诺依曼在第二次世界大战期间曾参与曼哈顿计划，为第一颗原子弹的研制作出了贡献。