1924-ben talált munkát a Posta Kísérleti Állomáson, az egyetlen jól felszerelt laboratóriumban, s két év megszakítással egészen 1948-ig a Posta Kísérleti Állomáson dolgozott , ahol a távközléssel kapcsolatos kutatásokat végzett. Kezdetben a telefonkészülék hallgatójának fejlesztését kapta feladatául. Ennek megértéséhez meg kellett ismernie a fül mechanizmusát. Biológiai és anatómiai tanulmányokat végzett. Magyari Endrével közösen dolgoztak ki egy teljes akusztikai rendszert, amely a terem utózengési idejének meghatározásától kezdve az elektroakusztikai eszközök jellemzőinek meghatározásáig és elhelyezésüknek módjáig terjedt. Ez a kutatás keltette fel az érdeklődését a fül működésével kapcsolatban. Az 1930-as években a Magyar Rádió stúdióinak akusztikus tervezését is ő végezte el. 1933-ban a Tudományegyetem magántanárává habitálták, 1940-ben ugyanitt kinevezték a Gyakorlati Fizikai Intézet professzorává. 1946-ban Svédországba, a Karolinska Intézetbe utazott, hogy a füllel kapcsolatos kutatásait folytassa.

Békésy megmutatta, hogy a belsőfülben, a csigában lévő alaphártya ugyanúgy feszítetlen, ahogyan a középfület határoló dobhártya az. Így a hangmagasság érzékelése nem történhet az alaphártya rezgésének rezonanciájával. Bebizonyította, hogy a csigában a hang érzékelésekor nem szabályos állóhullámok alakulnak ki, hanem egy - ma úgy mondanánk: nem lineáris - hullám halad végig, amelynek amplitúdója a frekvenciától függően a mintegy 30 mm hosszú járat más-más helyén éri el maximumát. Azt is megmutatta, hogy e hullám csak a gyújtó szerepét tölti be a hangérzetet közvetítő idegsejtek működésében, melyhez az energiát a csigában elektrokémiai források szolgáltatják.

Az emberi hallószerv működésére vonatkozó kutatások jelentős részét, amelyekért végül is Nobel-díjat kapott, Magyarországon végezte az 1930-as években és az 1940-es évek első felében. Az Egyesült Államokban kiszélesítette kutatási területét: a látás és általában minden érzékelés közös tulajdonságait, például az úgynevezett oldalirányú gátlást tanulmányozta.