在自然界中，已知的四种基本力分别是：电磁力、弱力、强力和引力。在生活中，引力和电磁力的作用随处可见。无论是苹果落地，还是吸附在冰箱上的磁铁，都是它们在发挥着作用。相比而言，弱力和强力也许没有那么为人熟知，这两种力都是短程力，不像电磁力和引力有无限大的作用范围。弱力支配了粒子的衰变，在太阳的核聚变反应中扮演着重要的角色；强力则将构成质子的夸克紧紧地束缚在一起。
在量子理论的语言中，电磁力和弱力，以及强力，都是由一种被称为规范玻色子的粒子所传递的。无质量的光子负责传递电磁力，大质量的W和Z玻色子则负责传递弱力，强力则是由胶子传递。引力则完全不同，它是由爱因斯坦的广义相对论所描述。几十年来，一些理论家一直致力于寻找引力的量子描述，并提出了传递引力的假想粒子——引力子。
物理学家追求的是统一：将过去认为完全不同的现象统一在一起。
19世纪60年代，物理学家麦克斯韦实现了一次卓越的统一。在他的书写方程组中，为我们展示了看似不同的电力和磁力，实际上是同一种力，即电磁力的两面。100多年后的1967年，温伯格在物理评论快报上发表了一篇革命性的论文：《轻子模型》。在这篇仅有两页半的论文中，温伯格优雅而简洁地书写了宇宙中最深层次的奥秘。温伯格首次证明了自发规范对称性破缺的概念可被应用于弱力。
对称性破缺是指那些看似毫无关系的现象实际上是一种潜在统一的表现，当超过一个临界点时，就会“破缺”成为一种非对称状态。温伯格的理论统一了弱力和电磁力，这两种基本力实际上是电弱力的不同表现。
1967年11月20日，温伯格在物理评论快报上发表了《轻子模型》，图示为论文首页。这篇论文是粒子物理学领域被引用最多的论文之一（已经超过了12000次），如今该论文每周至少会被引用三次。
在温伯格的论文发表之前，他曾在布鲁塞尔的索尔维会议上提及这个理论。但是与会者只有少数人产生了兴趣。甚至连温伯格本人都认为这个理论是不完备的。其中一个缺失的元素是要证明这个理论是可重整化的，换句话说，计算中出现的无穷大时可以被消除的。温伯格不仅预测了传递弱力的W和Z玻色子的质量，还预测了与赋予基本粒子质量的希格斯场有关的希格斯玻色子的性质，同时他也预测了弱相互作用的中性流的存在。
1973年，实验中发现了第一个中性流相互作用的证据。到了1976年，《轻子模型》就已经成为世界上被引用次数最多 的高能物理论文。1979年，温伯格与独立提出相似想法的阿卜杜勒·萨拉姆和谢尔登‧格拉肖共享了诺贝尔物理学奖。但故事并没有结束。1983年，欧洲核子研究中心成功探测到了W和Z玻色子的存在。2012年，CERN的大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。温伯格的预测全部得到了证实。
温伯格的电弱统一理论成为了粒子物理学标准模型的第一个支柱。此外，在中性流被发现的那一年，出现了一种解释强力的理论，叫做量子色动力学。这两个理论构建了标准模型。标准模型描述基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型是一个描述了构成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架。
在物理学家眼中，标准模型有着极为崇高的地位，因为它为复杂的世界提供了简洁的秩序，是物理学家目前对宇宙提炼出的精髓，也是探索和发现的工具。无疑，标准模型是迄今为止最成功的理论之一。
在此后漫长的几十年科研生涯中，温伯格继续在量子场论、基本粒子物理学和宇宙学方面做出研究，并提出了许多最深刻的见解。近年来，温伯格也在重新思考量子力学一些最基本的问题。
一直以来，温伯格都在试图寻找一个“终极理论”，他希望找到一个能够解释所有力和粒子的终极理论。温伯格在2018年的一次采访中曾表示：“这样一个基本理论似乎比以往任何时候都要遥远，因为有迹象表明，要看到它所需要的能量超过了我们力所能及的范围。可惜的是，加速器实验还没有揭示出任何超越标准模型的东西，除了中微子的质量。”
9月10日，科学突破奖宣布将2021年度的基础物理学特别突破奖授予了温伯格，以表彰他在基础物理学领域持续发挥着领导作用，在粒子物理学、引力和宇宙学领域所产生的深远影响，以及他在科学普及上所作出的杰出贡献。霍金和脉冲星发现者伯奈尔都曾荣获该奖。温伯格撰写了许多著作，教科书包括《量子场论》、《宇宙学》等，科普书包括《最初三分钟》、《终极理论之梦》等。