Через три года Больцман был назначен профессором математической физики в Университете Граца, затем преподавал в Мюнхене и Лейпциге.
В 1872 году ученый познакомился с Генриеттой фон Айгентлер, которая направила прошение об изучении физики и математики в Университете Граца (но оно было отклонено). Пользуясь поддержкой Больцмана, Генриетта подала апелляцию и была принята на исключительных условиях. После интенсивной переписки, длившейся четыре года, она вышла замуж за Больцмана, и в этом браке родились пятеро детей. С тех пор Больцман стал непреклонным защитником женщин, особенно в части их права на высшее образование. В1873 году он вернулся в Вену и на протяжении трех лет занимал должность профессора математики. В 1876 году Больцман вновь переехал в Грац, и там начался самый плодотворный период жизни ученого, продолжавшийся 14 лет.
Среди его учеников был, например, Сванте Аррениус (1859-1927). Больцман возглавлял университет и сформулировал свои основные теории. В 1890 году ему предложили кафедру в Венском университете, и он вновь вернулся в родной город, где в то же время преподавал один из главных противников атомизма, авторитетный австрийский физик Эрнст Мах (1838-1916). После этого Больцман вновь уехал — в Лейпцигский университет, а потом опять вернулся в Вену. В этот раз среди его учеников были Лиза Мейтнер, Пауль Эренфест (1880-1933) и многие другие видные впоследствии ученые. В1906 году Больцман совершил самоубийство в Дуино, Италия. Причиной этого поступка часто называют нервное истощение физика, к которому его привели дискуссии вокруг атомизма. Те, кто был близко знаком с Больцманом, знали, что он склонен к резким переменам настроения и депрессии. Мейтнер не сомневалась, что самоубийство было результатом «умственной нестабильности». После смерти Больцмана она писала:
«Он мог сильно страдать из-за вещей, которые другой, более толстокожий человек, едва почувствовал бы».
Сегодня считается, что ученый страдал маниакальной депрессией. «Больцман не скрывал своего энтузиазма, когда говорил, увлекая за собой слушателей», — вспоминала Лиза. Он поддерживал дружеские отношения со многими своими учениками, так что Мейтнер вместе с другими студентами неоднократно присутствовала на вечерах в доме Больцмана, когда он играл на фортепиано и много шутил.
Юная австрийская исследовательница изучала теплопроводность в негомогенных твердых телах — тема, связанная с лекциями Больцмана. Также Мейтнер постаралась применить для объяснения теплопроводности законы Максвелла и экспериментально подтвердила свои гипотезы. В знак признания этого труда она получила высшую оценку за свою работу и стала в 1906 году доктором наук.
В одной из своих биографических записей Мейтнер с радостью вспоминает, как Пауль Эренфест связался с ней, чтобы поближе познакомиться с теорией Больцмана и Рэлея:
«Я впервые познакомилась с Эренфестом во время учебы в Вене. Он приехал из Гёттингена в Вену, чтобы учиться у Больцмана. [...] Кто-то сказал ему, что я прилежно конспектирую все его занятия».
Мейтнер решила, что предложение Эренфеста изучать вместе с ним идеи Рэлея и Больцмана довольно любопытно, и сразу же согласилась. Лиза вспоминала: «Эренфест был гораздо лучше подготовлен для решения теоретических задач, чем я сама, кроме того, он был прекрасным и увлеченным преподавателем». Сотрудничество Мейтнер с Эренфестом, который впоследствии прославился своими достижениями в статистической физике и квантовой механике, было очень благотворным. Они получили некоторые результаты, которые подтолкнули Лизу продолжать карьеру исследователя.
Больцман яростно защищал атомизм с 1872 года. Для него атомы были реальными, объективно существующими. В то же время его оппоненты считали, что невозможно увидеть атомы или доказать их существование физическими экспериментами, а значит, это всего лишь предполагаемые единицы, существование которых проявляется косвенно, как это свойственно метафизическим понятиям. Исходя из этой точки зрения атомизм нельзя считать научной теорией. Больцман полагал, что без атомов невозможно объяснить материальную «реальность в том виде, в каком она предстает перед нами». Выдающимся позитивистом XIX века был Вильгельм Оствальд (1853-1932), который на одной из конференций ответил Больцману, что в задачи науки не входит отображение реальности: