Работы Гамова посвящены квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии. В 1928, работая в Гёттингенском университете, он сформулировал квантовомеханическую теорию a-распада (независимо от Р.Герни и Э.Кондона), дав первое успешное объяснение поведения радиоактивных элементов. Показал, что частицы даже с не очень большой энергией могут с определенной вероятностью проникать через потенциальный барьер (туннельный эффект). В 1936 совместно с Э.Теллером установил правила отбора в теории b-распада. Заинтересовавшись связью между ядерными процессами и космологией, в 19371940 построил первую последовательную теорию эволюции звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 совместно с Теллером предложил теорию строения красных гигантов. В 19461948 разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной» (Теорию Большого Взрыва), в рамках которой предсказал существование реликтового излучения и оценил его температуру. В 1954 интересы Гамова переместились в область биологии. Он первым предложил концепцию генетического кода, постулировав, что в его основе лежат триплеты нуклеотидов. Эта гипотеза получила дальнейшее подтверждение с последующим развитием молекулярной генетики.
Гамов является автором научно-популярных книг Мистер Томпкинс в Стране Чудес (Mr. Tompkins in Wonderland, 1939); трилогии Рождение и смерть Солнца (The Birth and Death of the Sun, 1940); Биография Земли (Biography of the Earth, 1941); Создание Вселенной (The Creation of the Universe, 1952); Раз, два, три... бесконечность (One, Two, Three... Infinity, 1947); Тридцать лет, которые потрясли физику (Thirty Years that Shook Physics, 1966); Моя мировая линия: неофициальная автобиография (My World Line:An Informal Autobiography, 1970). В 1956 он получил от ЮНЕСКО премию Калинга за вклад в популяризацию науки. Умер Гамов в Болдере (шт. Колорадо) 19 августа 1968.
Гамов Дж. Строение атомного ядра и радиоактивность. М. Л., 1932
Физики о себе. М., 1990