Ті ж традиції він розвивав в поемі «Пеллеас і Мелізанда» (1902-1903), кантаті «Пісні Гурре» (1900-1911), «Першому струнному квартеті» (1905). Ім'я Шенберга починає завойовувати популярність. Його визнають такі видні музиканти як Густав Малер і Ріхард Штраус. З 1904 він починає приватне викладання гармонії, контрапункту і композиції. Наступним важливим етапом в музиці Шенберга стала його «Перша камерна симфонія» (1906).
Влітку 1908 року дружина Шенберга Матильда залишила його, закохавшись в художника Ріхарда Герштля (англ.). Кілька місяців по тому, коли вона повернулася до чоловіка і дітям, Герштль покінчив життя самогубством. Це час збіглося для Шенберга з переглядом його музичної естетики і кардинальною зміною стилю. Він створює перші атональні твори, романс «Ти притулилась до сріблястою вербі» ( «Du lehnest wider eine Silberweide») і найбільш революційне зі своїх ранніх творів - «Другий струнний квартет», ор.10 (1907-1908), де в фіналі додає голос, сопрано, поклавши на музику вірші Штефана Георге. У «П'яти п'єсах для оркестру» ор.16 (1909) вперше застосовує свій новий винахід - метод темброве-розфарбованої мелодії (Klangfarbenmelodie).
Влітку +1910 Шенберг пише свій перший важливий теоретична праця «Вчення про гармонію» ( «Harmonielehre»). Потім створює вокально-інструментальний цикл «Місячний П'єро» ( «Pierrot Lunaire»), op. 21 (1912) на вірші Альбера Жиро, використовуючи винайдений ним метод Sprechstimme - вокальна речитация, щось середнє між читанням і співом. У 1910-х роках його музика була популярна в Берліні в середовищі експресіоністів, її виконували на зборах літературного «Нового клубу».
На початку 20-х років він винаходить новий «метод композиції з 12 співвіднесених між собою тонами», широко відомий як «додекафонія», вперше пробуючи його в своїй «Серенаді» ор. 24 (1920-1923). Цей метод виявився найвпливовішим для європейської та американської класичної музики XX століття.
До 1925 Шенберг жив в основному в Відні. У 1925 він став професором композиції в Берліні в Прусської академії мистецтв.
У 1933 (прихід до влади нацистів) Шенберг емігрував в США, де викладав спочатку в Консерваторії Малкіна в Бостоні, з 1935 - в університеті Південної Каліфорнії, з 1936 - в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі.
Одним з найбільш значних досягнень Шенберга стала його незавершена опера на біблійний сюжет «Мойсей і Аарон», розпочата ще на початку 30-х років. Вся музика опери будується на одній 12-звучною серії. Головна партія Мойсея виповнюється читцем в манері Sprechgesang, роль Аарона доручена тенору.
На честь Шенберга названий кратер на Меркурії.
У 1898 р Шенберг перейшов в протестантство. У 1933 пройшов в синагозі в Парижі обряд повернення в іудаїзм.