Основні наукові роботи відносяться до космології. Є автором теорії розширюваного Всесвіту, розробленої ним незалежно від О.О.Фрідмана, чиї праці були опубліковані раніше. Під час перебування в США після ознайомлення з дослідженнями В.М.Слайфера, Е.П.Габбла і Г.Шеплі по червоному зсуву галактик в 1927 році опублікував своє пояснення цього явища: спектроскопічно спостережуване розбігання галактик він ототожнив з розширенням Всесвіту. Радіус кривини простору в його моделі змінюється з часом. "Жорж Леметр опублікував це відкриття в місцевому журналі, Аннали наукового співтовариства Брюсселя. Коли ж переклад його роботи з'явився в щомісячних нотатках Королівського астрономічного товариства, основні параграфи роботи зникли. Серед них було рівняння Хаббла, яке вказує на швидкість розширення Всесвіту.
Питанням, хто ж прибрав ці важливі місця, задався астрофізик Маріо Лівіо з Інституту космічного телескопа. Лівіо знав, що документів залишилося мало, проте вирішив зібрати всі можливі дані. Він уже зневірився знайти що-небудь в архівах, але раптом знайшов лист самого Леметра до редактора щомісячних заміток, в якому той сам вказує на опущені в перекладі місця як несуттєві. У чомусь Леметр мав рацію. Він вирішив, що наявних у нього даних недостатньо для підтвердження розширення Всесвіту, і відмовився від публікації. Дані Хаббла були більш повними і точними, і Леметр не став потім наполягати на своїй першості." (Цитата, переклад з російської) [5]
Розглянув розвиток збуджень у космологічних моделях у зв'язку з проблемами утворення скупчень галактик. Інші роботи Леметра з астрофізики присвячені деяким питанням теорії утворення зірок, гравітаційного колапсу, космічним променям. Виконав ряд математичних досліджень за поданнями групи Лоренца, пов'язаних з релятивістським хвильовими рівняннями, і алгебрукватерніонів.
.svg){kind=small}
