Леметр известен прежде всего как создатель теории расширяющейся Вселенной. Ученый сформулировал ее в 1927 (независимо от А.А.Фридмана), ознакомившись во время пребывания в США с исследованиями Э.Хаббла и Х.Шепли по красному смещению линий в спектрах галактик и истолковав наблюдаемое спектроскопически разбегание галактик как свидетельство расширения Вселенной. Кроме того, он теоретически обосновал закон Хаббла о пропорциональности между лучевыми скоростями галактик и расстояниями до них, заложив тем самым основы современной физической космологии. Леметр впервые высказал предположение об очень высокой температуре материи на самых первых этапах расширения (вблизи сингулярности) и о сохранении каких-то следов этой ранней эпохи нынешней Вселенной (он полагал, что такими «горячими реликтовыми частицами» являются галактические космические лучи, что оказалось неверным). Среди других интересовавших его проблем физическая природа сингулярности (гипотеза «первичного атома»), образование галактик. В качестве основного физического механизма формирования галактик из однородной расширяющейся среды он рассматривал гравитационную неустойчивость, возникающую на относительно поздней стадии расширения. В 1953 Леметр был награжден медалью Эддингтона Лондонского королевского общества.
Умер Леметр в Лувене 20 июня 1966.
Хеллер М., Чернин А.Д. Жорж Леметр и становление космологии. В кн.: На рубежах познания Вселенной. М., 1994