Istraživanju problema histerije posvetili su se nešto kasnije zajedno Frojd i Jozef Brojer. Iz rezultata tog istraživanja proizašla je njihova zajednička knjiga Studije na području histerije u kojoj postavljaju hipotezu da simptomi histerije proizlaze iz potisnutih sjećanja i traumatskih događaja. No, nedugo nakon objavljivanja knjige (1895.) iz razloga nepoznatih javnosti prekidaju saradnju. Poučen iskustvima zajedničikih istraživanja Frojd zastupa gledište da je uzrok histerije seksualne prirode i tada razvija dio onog što će kasnije postati poznato kao psihoanalitička teorija. Nakon raskida s Brojerom Frojd se i dalje posvećuje istom problemu. Tako u oktobru 1897. otkriva Edipov kompleks, a 1899. pojavljuju se i njegovi prvi značajni tekstovi. Godine 1900. objavljuje knjigu Tumačenje snova, svoje najznačajnije djelo, koja se zasniva na analizi njegovih vlastitih snova. Nakon nje slijede: Psihopatologija svakodnevnog života (1901.), Tri rasprave o teoriji seksualnosti (1905.), Šale i njihova povezanost s nesvjesnim (1905.). U knjizi Tri eseja o seksualnosti Frojd iznosi ideju da se djeca rađaju sa seksualnim potrebama, a njihovi roditelji su početni seksualni objekti, nakon čega je u javnosti proglašen luđakom. U djelu Fragment jedne analize histerije analizira traumatsku funkciju seksualnosti u histeriji, kao i ulogu homoseksualnosti.
Godine 1902. osniva Psihološko društvo srijedom u kojem okuplja svoje prve učenike (Ferdern, Ranka, Adler). Od 1911. bavi se pitanjem oca, pojmovima nagona života (eros) i nagona smrti (thanatos), principa stvarnosti i principa zadovoljstva. Godine 1912. objavljuje tekst Totem i tabu u kojem raspravlja o kulturno istorijskom fenomenu zabrane incest, 1916. objavljuje tri metapsihološka ogleda, Nagon i nagonske sudbine, Potiskivanje i Nesvjesno, a 1916. Žalost i melanholija. Zbog epidemije gripe umire Frojdova kćerka Sofi, a iste godine on predlaže novi model društvenog sklopa u kome se pojavljuju ego, id i superego. Njegov istraživački doprinos uključuje i otkrivanje novih osobina nervnih ćelija kod zlatne ribice i postojanje testisa kod mužjaka jegulje. Ipak, najvažnijim otkrićem smatra se činjenica da kokain može biti upotrebljen za liječenje mnogih bolesti. Sam Frojd je uzeo drogu bez pojave nekih štetnih dejstava, no njegovo oduševljenje ovim otkrićem ubrzo se smanjilo zbog spoznaje da kokain stvara ovisnost. Godine 1923. ustanovljen mu je rak nepca. Do smrti se podvrgavao nizu operacija, nakon kojih nije bio izliječen. Uprkos protestu antisemitskih krugova 1930. godine prima nagradu Goethepreis (nagrada grada Frankfurt) za rad Neprijatnost u kulturi.
Nakon što su nacisti okupirali Austriju, a prije toga u Berlinu javno spalili Frojdove knjige, Sigmund Frojd napušta Austriju i preseljava se u Englesku gdje do same smrti, uzrokovane rakom nepca liječi svoje pacijente. 23. septembra 1939. godine u 3 sata ujutro Frojdov kućni ljekar je ustanovio njegovu smrt, a nakon smrtonosne doze morfija, koju je Frojd sam zatražio.
Sigmund Frojd je djed slikara Lusijana Frojda te komediografa i pisca Klementa Frojda te pradjed novinarke Eme Frojd i modne dizajnerke Bele Frojd.