對布朗運動的研究，是維納早年學術研究的中心，這為他以後的學術生涯奠定了堅實的基礎，尤其對他後來在信息論和控製論上的成功，這階段的研究功不可沒。而且，維納在布朗運動領域的貢獻，是多年以後電氣工程師們不可或缺的工具。
隨著電氣工業的發展，一個數學課題又提上了日程，即位勢問題，維納及時地著手研究。位勢研究是一個很複雜的課題，它涉及的方麵很多，如複數理論、弦振動理論、傅立葉調和分析等。經過潛心研究，維納指出：一個內點的勢與邊界值的關係是一種廣義積分。他給出了連續邊界值函數的狄利克雷問題的解法，並得到了確切的廣義群。對一般緊集定義了容度概念，並給出了著名的正則性判斷。維納在這一領域的研究，與著名科學家的布利岡齊名。
接著，維納又在調和分析上有了重大突破。他研究了調和分析的擴展問題。這項研究，後來成為巴拿赫代數理論的基礎。1927年開始，他又與施密特合作，研究陶伯定理。後來，他創立了一般的陶伯定理，並將它與傅立葉變換理論及廣義調和分析結合起來，發展了複變函數調和分析。與此同時，他還同英國數學家佩利合作，共同創立了佩利-維納定理。
1929年，維納升任教授。
10年來，維納多次訪歐，周遊各地，與多人合作。他視野廣闊，心胸坦蕩開闊，不計名利得失，加之個人艱苦卓絕的奮鬥，取得了輝煌的成就。
為了他醉心的學術，他多次推遲婚期。直到1926年，將近32歲的他才同瑪格麗特·恩格曼在異鄉結婚。
進入30年代，維納的研究興趣開始轉向應用數學領域。他既重視理論，更重視實踐，在對理論和實踐的完美把握中，使二者不斷得以深化——理論日精，實踐益多。
早在1928年，當時，麻省理工學院為貝爾電話實驗室代培中國籍的電氣工程博士研究生李鬱榮，維納是主要指導人之一。師徒二人密切合作，經過一年多時間的努力，他們改進了濾波器的設計，製成傅立葉變換濾波器。李鬱榮回國後，在清華大學任教。雖然道路阻隔，可師徒間的感情綿遠深長。1935年到1936年，維納應清華大學之邀去講學，他們又得以密切地合作。這兩位異國科學家精誠合作的行為在科學界傳為美談。
1931年，維納又與德國科學家霍普夫合作，研究恒星輻射平衡時所遇到的積分方程的解法，獲得了成功。他的基本思想是通過傅立葉積分變換，將原方程化為泛函方程，然後再用函數因子分解法求解，其核心是函數因子分解定理。這個方程被稱為維納-霍普夫方程，求解方法稱為維納-霍普夫方法，即因子分解法。這一方法已經成為研究各種數學和物理學問題的常用方法。在實踐上，它反映了有關原子彈的許多重要問題，特別它能表現兩種進程在時間上的分界：一種進程是代表在一給定時刻之前的狀態，另一進程是代表那一時刻之後的狀態。所以，它可用於研究預測和濾波方麵的問題。
1932年，維納與佩利合作，研究在半直線上等於零的複函數的傅立葉變換所需的限定條件。它揭示了電濾波器截止頻帶的銳角受一定限製的數學原因。在當時，這是一個偉大的發現，為物理學家和電氣工程師們的實踐提供了極大的方便。
為了表彰維納在數學領域的卓越貢獻，1933年的博歇爾數學分析獎授予了他。根據規定，他寫了一本書《複數中的傅立葉變換》，這也是他對以前研究成果的總結和升華。