Будучи кандидатом физико-математических наук, Алфёров мог перейти к разработке собственной темы. В те годы была высказана мысль использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их основе могло привести к качественному скачку в физике и технике. Однако попытки реализовать приборы на гетеропереходах не давали практических результатов. Причина неудач крылась в трудности создания близкого к идеальному перехода, выявлении и получении необходимых гетеропар. Во многих журнальных публикациях и на различных научных конференциях неоднократно говорилось о бесперспективности проведения работ в этом направлении.

Алфёров продолжал технологические исследования. В основу их им были положены эпитаксиальные методы, позволяющие влиять на фундаментальные параметры полупроводника: ширина запрещенной зоны, размерность электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления внутри единого монокристалла. Ж.И. Алфёров с сотрудниками создали не только гетероструктуры, близкие по своим свойствам к идеальной модели, но полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Открытие Ж.И. Алфёровым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах – позволило еще и кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и сформировать принципиально новые, в особенности перспективные для применения в оптической и квантовой электронике. Новый период исследований гетеропереходов в полупроводниках Жорес Иванович обобщил в докторской диссертации, которую защитил в 1970 году.

Работы Ж.И. Алфёрова были по заслугам оценены международной и отечественной наукой. В 1971 году Франклиновский институт (США) присуждает ему престижную медаль Баллантайна, называемую «малой Нобелевской премией» и учрежденную для награждения за лучшие работы в области физики. В 1972 году следует самая высокая награда СССР – Ленинская премия.

С использованием технологии Алфёрова в России (впервые в мире) было организовано изготовление гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.

На основе работ Алфёрова и его сотрудников созданы полупроводниковые лазеры, работающие в широкой спектральной области. Они нашли широкое использование в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

С начала 1990-х годов Алфёров занимался исследованием свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек. В 1993–1994 годах впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками – «искусственными атомами». В 1995 году Ж.И. Алфёров со своими сотрудниками впервые демонстрирует инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Исследования Ж.И. Алфёрова заложили основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур с широким диапазоном применения, известной ныне как «зонная инженерия».

В 1972 году Алфёров стал профессором, а через год – заведующим базовой кафедрой оптоэлектроники ЛЭТИ. С 1987 по май 2003 года – директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе, с мая 2003 по июль 2006 года – научный руководитель. С момента основания в 1988 году декан физико-технического факультета СПбГПУ.

В 1990–1991 годах – вице-президент АН СССР, председатель Президиума Ленинградского научного центра. Академик АН СССР (1979 год), затем РАН, почётный академик Российской академии образования. Главный редактор «Писем в Журнал технической физики». Был главным редактором журнала «Физика и техника полупроводников».

10 октября 2000 года по всем программам российского телевидения сообщили о присуждении Ж.И. Алфёрову Нобелевской премии по физике за 2000 год за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники. Современные информационные системы должны отвечать двум основополагающим требованиям: быть скоростными, чтобы громадный объем информации можно было передать за короткий промежуток времени, и компактными, чтобы уместиться в офисе, дома, в портфеле или кармане. Своими открытиями Нобелевские лауреаты по физике за 2000 год создали основу таковой современной техники. Они открыли и развили быстрые опто– и микроэлектронные компоненты, которые создаются на базе многослойных полупроводниковых гетероструктур. На основе гетероструктур созданы мощные высокоэффективные светоизлучающие диоды, используемые в дисплеях, лампах тормозного освещения в автомобилях и светофорах. В гетероструктурных солнечных батареях, которые обширно используются в космической и наземной энергетике, достигнуты рекордные эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

С 2003 года Алфёров председатель научно-образовательного комплекса «Санкт-Петербургский физико-технический научно-образовательный центр» РАН. Часть своей Нобелевской премии Алфёров отдал на развитие научно-образовательного центра физико-технического института. «В центр приходят еще школьниками, учатся по углубленной программе, потом – институт, аспирантура, академическое образование, – рассказывает член президиума РАН, академик, директор Института радиотехники и электроники Юрий Гуляев. – Когда из страны валом начали уезжать ученые, а выпускники школ почти поголовно стали предпочитать бизнес образованию и науке – возникла страшная опасность, что знания старшего поколения ученых некому будет передать. Алфёров нашел выход и буквально совершил подвиг, создав эту своего рода теплицу для будущих ученых».

22 июля 2007 года было опубликовано «Письмо десяти академиков» («письмо десяти» или «письмо академиков») – открытое письмо десяти академиков РАН (Е. Александрова, Ж. Алфёрова, Г. Абелева, Л. Баркова, А. Воробьёва, В. Гинзбурга, С. Инге-Вечтомова, Э. Круглякова, М. Садовского, А. Черепащука) «Политика РПЦ МП: консолидация или развал страны?» Президенту России В. В. Путину. В письме выражена обеспокоенность «все возрастающей клерикализацией российского общества, активным проникновением церкви во все сферы общественной жизни», в частности в систему государственного образования. «Верить или не верить в Бога – дело совести и убеждений отдельного человека, – пишут академики. – Мы уважаем чувства верующих и не ставим своей целью борьбу с религией. Но мы не можем оставаться равнодушными, когда предпринимаются попытки подвергнуть сомнению научное Знание, вытравить из образования материалистическое видение мира, подменить знания, накопленные наукой, верой. Не следует забывать, что провозглашенный государством курс на инновационное развитие может быть осуществлён лишь в том случае, если школы и вузы вооружат молодых людей знаниями, добытыми современной наукой. Никакой альтернативы этим знаниям не существует».

Письмо вызвало огромную реакцию во всем обществе. Министр образования заявил: «Письмо академиков сыграло положительную роль, поскольку вызвало широкую общественную дискуссию, ряд представителей РПЦ придерживается такого же мнения». 13 сентября 2007 года президент России В.В. Путин заявил, что изучение в государственных школах предметов религиозной тематики нельзя делать обязательным, ибо это противоречит российской конституции.