Năm 1956, ông được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý ở Đại học Copenhagen. Sau khi người cha qua đời năm 1962, ông kế vị cha làm giám đốc Viện Niels Bohr cho tới năm 1970. Ông cũng là thành viên trong Ban giám đốcViện Vật lý lý thuyết Bắc Âu (Nordita) từ khi mới thành lập năm 1957, rồi trở thành giám đốc viện này năm 1975.
Năm 1950, trong một bài khảo cứuJames Rainwater của Đại học Columbia đã đưa ra một mô hình hạt nhân có thể giải thích được việc bố trí điện tích không theo dạng hình cầu. Bohr, lúc đó đang viếng thăm Đại học Columbia, cũng đưa ra ý kiến tương tự, và cho đăng một bào khảo cứu khoảng 1 tháng sau bài của Rainwater thảo luận cùng một vấn đề như Rainwater. Sau đó Bohr phát triển xa hơn với một bài khảo cứu xuất bản năm 1951 trong đó bàn cách toàn diện mối liên quan giữa các dao động trên bề mặt của hạt nhân với chuyển động của chính cácnucleon.
Khi trở về Copenhagen năm 1950, Bohr bắt đầu làm việc chung vớiBen Mottelson để so sánh công trình lý thuyết với các dữ liệu thực nghiệm. Trong 3 bài khảo cứu được xuất bản năm 1952–1953, Bohr và Mottelson đã chứng minh sự phù hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực nghiệm, ví dụ chỉ ra rằng các mức năng lượng của một số hạt nhân có thể được mô tả bởi một phổ quay vòng. Công trình này đã kích thích các nghiên cứu mới về lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả là ông đã đoạtGiải Nguyên tử vì Hòa bình năm 1969.
Bohr, Mottelson và Rainwater được trao chungGiải Nobel Vật lý năm 1975 "cho việc phát hiện mối liên kết giữa chuyển động tập thể và chuyển động hạt trong hạt nhân nguyên tử cùng việc phát triển lý thuyết về cấu trúc hạt nhân nguyên tử dựa trên mối liên kết này".[2]
Aage N. Bohr tiếp tục cộng tác mật thiết vớiBen Roy Mottelson (nhà vật lý Đan Mạch gốcMỹ), cùng viết chung 2 tác phẩm về cấu trúc của nguyên tử, quyển 1 làSingle-Particle Motion (1969) và quyển 2 làNuclear Deformations (1975).
Ông nghỉ hưu năm 1992 và qua đời ngày 8 tháng 9 năm 2009 tại Copenhagen.
