В 1938 был исключен из списков членов-корреспондентов АН СССР.

Исходя из предположения о ядерном происхождении звездной энергии, Гамов в 1937-40 гг. строит теорию эволюции звезд. В 1943 он создает оболочечную модель красных гигантов и рассчитывает эволюционные треки таких звезд. В 1940-41 гг. вместе с М. Шенбергом исследует роль нейтрино при вспышках новых и сверхновых.

В 1946-48 гг. Гамов разрабатывает модель Вселенной. Вместе с Р.Альфредом и Р.Германом исследует ядерные реакции, происходящие при расширении горячего вещества и постепенно путем захвата нейтронов приводящие к образованию химических элементов. Согласно этой теории, все вещество изначально состояло из нейтронов. Сталкиваясь, два нейтрона образуют дейтрон (ядро, состоящее из нейтрона и протона) и электрон. Захватывая нейтрон, дейтрон превращается в ядро трития (ядро, содержащее два нейтрона и один протон), которое в свою очередь тоже может захватить нейтрон – и так до образования ядер с массой порядка 250. Эта теория была не лишена противоречий, но заинтересовала множество физиков. В рамках своей теории горячей Вселенной Гамов представляет существование реликтового излучения и в 1956 дает первую теоретическую оценку (6К) температуры реликтового излучения. В 1965 существование реликтового излучения было подтверждено радиоастрономическими наблюдениями А. Пензиаса и Р. Вильсона, которые в 1978 году стали Нобелевскими лауреатами.

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик опубликовали результаты исследований структуры ДНК – «двойной спирали». В 1954 году Георгий Гамов публикует статью, где первым ставит проблему генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками, получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации", выражая при этом надежду, что "кто-нибудь из более молодых учёных доживет до его расшифровки".

В 1956 он получил от ЮНЕСКО премию Калинга за вклад в популяризацию науки.

В октябре 1968 года Р.Холли, X.Коране и М.Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за расшифровку генетического кода. Но Георгий Антонович Гамов не узнал об этом - он скончался 20 августа 1968 года.

В 1990 году посмертно восстановлен в звании члена-корреспондента АН СССР.