Защита докторской прошла блестяще 13 мая 1911 года. В сентябре того же года Бор был направлен на годичную стажировку в Англию и стал работать в Кавендишской лаборатории в Кембридже. С этим назначением Нильс связывал много надежд. В то время в университете работали такие всемирно известные ученые, как Дж. Джю Томсон, Лармор, Джинс. В докторской диссертации Бор затронул проблемы, связанные с электронной теорией. Он надеялся обсудить возникшие у него вопросы с первооткрывателем электрона Томсоном, но их отношения не сложились, да и работа в Кавендишской лаборатории доставила Нильсу больше трудностей, чем достижений.
Когда стажировка подходила к концу, Бор по приглашению Резерфорда присоединился к Манчестерской группе ученых, в которой работали Гейгер, Маковер, Хевеши, Чадвик, Дарвин. Эта группа проводила масштабные исследования радиоактивности и строения атома. Молодой ученый быстро освоился в новом кругу и благодаря аналитическому складу ума стал теоретиком проводимых исследований. Работая под руководством Резерфорда, Бор создал свою экспериментальную модель строения атома.
Вернувшись в Данию, он приступил к чтению лекций по термодинамике в Копенгагенском университете. Но преподавание так и не стало его коньком. По мнению большинства его коллег, у Бора «не было никакого природного дарования к чтению курса лекций в соответствии с принятыми в университете требованиями. Он говорил заикаясь, тихо и невнятно и, как свидетельствуют, в самые ответственные моменты закрывал к тому же ладонью рот». Зато Бор-теоретик блистал на коллоквиумах, где выступления зачастую принимали форму научного диалога. Здесь он, по словам Франка, чувствовал себя «легко и совершенно как дома». Быстрота и глубина мышления Бора, его способность тотчас же схватывать сущность каждый раз заново поражали тех, кто с ним сталкивался.
Мысли Бора постоянно вертелись вокруг модели атома. Он пришел к убеждению, что квант действия, введенный Максом Планком, можно использовать в качестве величины, ограничивающей определение координат и скорости электронов. Свои мысли ученый изложил в статье «О строении атомов и молекул», а основные выводы из нее вошли в историю физики как «постулаты Бора». Эта работа получила широкий резонанс в научном мире, и чаша весов, на которую была положена судьба атомного мира, неуклонно склонялась на сторону боровской трактовки мира атомов. Против этой модели выступил А. Эйнштейн. Прочитав одну из работ молодого ученого, он сказал физику-атомщику Хевеши: «Такую работу я сам, пожалуй, мог бы написать, но если она правильна, то это конец физики как науки».