Научные работы относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, специальной (СТО) и общей (ОТО) теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике.

В 1934 году совместно с Грегори Брейтом разработал теорию процесса рождения электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов (так называемого процесса Брейта — Уилера). Независимо от Вернера Гейзенберга ввёл матрицу рассеяния для описания взаимодействий (1937). Вместе с Нильсом Бором разработал теорию деления атомного ядра, доказал, что редко встречающийся изотоп уран-235 делится под действием тепловых нейтронов (1939). Вместе с Энрико Ферми, Юджином Вигнером и Лео Силардом математически обосновал возможность цепной реакции деления в уране, первый объяснил отрицательное влияние продуктов деления на ход цепной реакции, развил методы управления ядерным реактором (1939). Выдвинул идею об универсальности фермиевского взаимодействия (1948—1949), с Д. Хилом развил коллективную модель ядра (1953), предсказал существование мезоатомов (1947).

Работал в области гравитации и релятивистской астрофизики. Является одним из создателей геометродинамики. Исследования посвящены квантованию гравитации, гравитационному коллапсу, структуре материи чрезвычайно большой плотности и температуры.

Ввел в астрофизику понятие «кротовой норы» (wormhole).

В 1990 году высказал предположение, что информация является фундаментальной концепцией физики. Согласно его доктрине it from bit, все физические сущности являются информационно-теоретическими в своей основе.

Вскоре после того, как японская бомбардировка Перл-Харбора привела США ко Второй мировой войне, Уилер принял предложение Артура Комптона присоединиться к Манхэттенскому проекту в Металлургической лаборатории Чикагского университета. Он переехал туда в январе 1942 года, присоединившись к группе Юджина Вигнера, которая изучала конструкцию ядерного реактора. Он в соавторстве с Робертом Ф. Кристи написал статью «Цепная реакция чистых расщепляющихся материалов в растворе», которая сыграла важную роль в процессе очистки плутония. Статья была рассекречена в декабре 1955 года. Он дал название нейтронному замедлителю, заменив термин Энрико Ферми «замедлитель».

 

После того, как Инженерный корпус армии США взял на себя руководство Манхэттенским проектом, он возложил на DuPont ответственность за детальное проектирование и сооружение реакторов.^[34] Уилер стал частью штата дизайнеров DuPont. Он тесно сотрудничал с ее инженерами, курсируя между Чикаго и Уилмингтоном, штат Делавэр, где находилась штаб-квартира DuPont. Он перевез свою семью в Уилмингтон в марте 1943 года. Задача DuPont состояла в том, чтобы построить не только ядерные реакторы, но и целый комплекс по производству плутония на Хэнфордском полигоне в Вашингтоне. По мере продвижения работ в июле 1944 года Уилер снова переехал с семьёй в Ричленд, штат Вашингтон, где он работал в научных зданиях, известных как зона 300.

Ещё до того, как 15 сентября 1944 года на Хэнфордском полигоне был запущен реактор B, первый из трёх реакторов, Уилер был обеспокоен тем, что некоторые продукты ядерного деления могут быть ядерными ядами, накопление которых будет препятствовать протеканию ядерной цепной реакции, поглощая множество тепловых нейтронов, необходимых для продолжения цепной реакции. В отчёте за апрель 1942 года он предсказал, что это снизит реактивность менее чем на один процент, если ни один из продуктов деления не будет иметь сечение захвата нейтронов сечение более 100 000 барн. После того как реактор неожиданно отключился, а затем так же неожиданно включился примерно через 15 часов, он заподозрил наличие йода-135 с периодом полураспада 6,6 часа и его дочернего продукта, ксенона-135, период полураспада которого составляет 9,2 часа. Оказалось, что сечение захвата нейтронов ксеноном-135 составляет более двух миллионов барн. Проблема была решена путём добавления дополнительных топливных стержней для выжигания яда.

У Уилера была личная причина работать над Манхэттенским проектом. Его брат Джо, воевавший в Италии, прислал ему открытку с простым посланием: «Поторопись». Было уже слишком поздно: Джо погиб в октябре 1944 года. «А ведь мы были так близки к созданию ядерного оружия, которое положило бы конец войне», — писал позже Уилер. Тогда я не мог перестать думать и не перестаю до сих пор о том, что война могла закончиться в октябре 1944 года.  У Джо остались вдова и маленькая дочь Мэри Джо, которая позже вышла замуж за физика Джеймса Хартла.