A hipótese de Lemaître estipula que todo o universo (não somente a matéria, mas também o próprio espaço) estava comprimido num único átomo chamado de "átomo primordial" ou "ovo cósmico". O estudioso afirmava que a matéria comprimida naquele átomo se fragmentou numa quantidade descomunal de pedaços e cada um acabou se fragmentando em outros menores sucessivamente até chegar aos átomos atuais numa gigantesca fissão nuclear.
Foi Lemaître portanto quem propôs a Teoria do Big Bang, mais tarde desenvolvida por George Gamow.
Essa teoria foi chamada sarcasticamente de «Big Bang» por Fred Hoyle, fervente defensor da teoria do universo estacionário, em 1948 ou 1950, durante uma transmissão de rádio.
Em 1965, um ano antes de sua morte e já doente em um hospital, recebe com alegria a notícia de que sua Teoria do Big Bang fora confirmada pelos experimentos de Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson e era tida como a teoria padrão pela comunidade científica.