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Il a enseigné dans les universités de Graz et d'Innsbruck.
En utilisant des instruments embarqués dans des ballons, Hess et ses collaborateurs ont montré, en 1912, que les rayonnements qui ionisent l'atmosphère sont d'origine cosmique. Il s'est aussi intéressé aux applications médicales du radium.
Il était connu pour son opposition au nazisme. Après l'Anschluss, il fut mis à la retraite d'office, puis on lui retira sa pension en septembre 1938. Il partit alors pour les États-Unis, en passant par la Suède, où il est devenu professeur de physique à l'université Fordham. Il a obtenu en 1944 la nationalité américaine.
(en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)