Le chanoine Lemaître ne pouvait donner de cours que dans le chahut. Il réclamait celui-ci de ses étudiants, en leur demandant s'ils étaient malades lorsque le calme régnait dans l'auditoire.
En 1927, indépendamment des travaux d'Alexander Friedmann de 1922, Georges Lemaître affirme que l'univers est en expansion, se fondant sur les travaux de Vesto Slipher et Edwin Hubble. Il est le premier à formuler la loi de proportionnalité entre distance et vitesse de récession des galaxies, dont la nature extragalactique vient d'être démontrée quelques années plus tôt. Il fournit une première évaluation de la constante de proportionnalité, ce qu'on appelle aujourd'hui la constante de Hubble. Cette estimation, figurant dans son article de 1927 rédigé en français, ne sera pas traduite dans sa version anglaise réalisée par Arthur Eddington, et sera découverte empiriquement par Hubble quelques années plus tard.
Lemaître propose une évolution de l'univers à partir d'un « atome primitif ». Cette théorie fut appelée ironiquement « Big Bang » par Fred Hoyle en 1949, au cours d'une émission de radio, nom qui resta. Odon Godart annonça en 1965 à son ancien collègue et mentor alors très malade, il décéda quelques semaines plus tard, la découverte du fond diffus cosmologique par Arno Penzias et Robert Wilson. Cet « écho disparu de la formation des mondes », comme Lemaître l'avait poétiquement appelé, confirmait le scénario cosmologique dont Lemaître avait été l'un des premiers artisans.
Lemaître reçoit le Prix Francqui en 1934.
L'astéroïde (1565) Lemaître a été nommé en son honneur. De même, à l'ouest-sud-ouest du cratère lunaire Berlage et au sud-sud-ouest du cratère Minkowski se situe le cratère Lemaître.
La maison parentale, Boulevard Devreux à Charleroi acquise par l'Université catholique de Louvain est maintenant nommée " Maison Georges Lemaître". Le souvenir de sa découverte est gravé sur le monument qui orne le carrefour dit "le Luxembourg" à l'intersection des boulevards Devreux et Audent, des rues Willy Ernst et du Pont Neuf. Un bâtiment lui est dédié à Louvain-La-Neuve, à la Faculté des Sciences, abritant des auditoires et des classes de cours, dont l'auditoire Georges Lemaître (Sciences10).