Sa carrière professionnelle débuta la même année à l'observatoire Lick, en Californie, où il travailla jusqu'en 1920. Il y poursuivit le relevé systématique des nébuleuses initié par James Edward Keeler. De 1905 à 1909, il dirigea la station sud de Lick au Chili, avant de revenir prendre la responsabilité du télescope Crossley. En 1912, il fut élu président de la Société astronomique du Pacifique. C'est à Lick qu'il effectua l'une de ses observations les plus remarquables : en 1918, en étudiant la galaxie M87 (nébuleuse alors considérée comme une simple nébuleuse spirale), il fut le premier à remarquer un étrange jet polaire émanant de son noyau, qu'il décrivit comme un "rayon droit curieux, apparemment relié au noyau par un mince filet de matière". Ce jet, observé bien avant que l'on comprenne sa nature (un jet relativiste alimenté par un trou noir supermassif), reste l'une de ses découvertes personnelles majeures.

Curtis est surtout passé à la postérité pour son rôle dans le Grand Débat qui l'opposa à Harlow Shapley le 26 avril 1920 à l'Académie nationale des sciences de Washington. Ce débat, dont le format était initialement pressenti par George Ellery Hale, fut organisé autour de la question de l'échelle de l'univers et de la nature des nébuleuses spirales. Chaque astronome disposait de quarante minutes pour exposer sa thèse, avec une possibilité de réplique. Curtis, s'appuyant sur son étude des novae dans la nébuleuse d'Andromède (dont il observa qu'elles étaient beaucoup plus nombreuses que dans notre propre galaxie), défendait l'idée que ces nébuleuses étaient des univers-îles, c'est-à-dire des galaxies indépendantes situées bien au-delà de la Voie lactée. Il notait également leurs grandes vitesses radiales, incompatibles avec une liaison gravitationnelle à notre galaxie. Il estimait la distance de la galaxie d'Andromède à environ 500 000 années-lumière. En revanche, il plaçait le Soleil au centre de notre propre galaxie, une position qui s'avérera erronée. Shapley, à l'inverse, défendait une Voie lactée immense (300 000 années-lumière de diamètre) au sein de laquelle ces nébuleuses n'étaient que des objets périphériques, mais il avait correctement relégué le Soleil en périphérie de notre système stellaire. Si aucun vainqueur ne fut officiellement désigné ce soir-là, l'histoire donna raison à Curtis sur le point essentiel : l'univers est bien composé de multiples galaxies.

En 1920, la même année que le débat, Curtis fut nommé directeur de l'observatoire Allegheny de l'Université de Pittsburgh. Il y inventa vers 1925 un type de comparateur de plaques photographiques novateur : au lieu de placer les clichés côte à côte, il les superposa sur deux platines alignées et utilisa un jeu de prismes pour les comparer. L'appareil, d'une taille très réduite (60 × 51 cm), fut décrit dans les Publications de l'observatoire Allegheny. En 1930, Curtis fut nommé directeur des observatoires de l'Université du Michigan, son alma mater, où il succéda à un autre astronome renommé. Il retourna ainsi à Ann Arbor, mais la Grande Dépression qui sévissait alors l'empêcha de construire le grand télescope réflecteur qu'il avait conçu. Il contribua néanmoins au développement de l'observatoire privé McMath-Hulbert à Lake Angelus, dans le Michigan. Curtis participa à onze expéditions scientifiques pour observer des éclipses solaires à travers le monde, ce qui témoigne de son goût pour l'observation directe. Il était par ailleurs connu pour son scepticisme à l'égard de certaines théories nouvelles, notamment la relativité générale d'Albert Einstein, qu'il rejetait. Heber Doust Curtis s'éteignit en 1942, à l'âge de soixante-neuf ans, alors qu'il devait prendre sa retraite en juin de la même année.