Ainda com Lúcio Costa, projetou o pavilhão brasileiro da Feira Internacional de Nova York (1939). De volta ao Brasil foi convidado pelo então prefeito de Belo Horizonte, Juscelino Kubitschek, para projetar um conjunto arquitetônico para a Pampulha, bairro da capital mineira ainda em formação, político que acompanhou na maioria de suas obras inclusive na direção da construção da capital do Brasil, Brasília (1950-1960). A partir destes projetos libertou da influência de Le Corbusier e abandonou o ângulo reto em favor das linhas curvas.
O projeto contou com a participação de Portinari, Burle Marx, Bruno Giorgi e outros, que colaboraram com pinturas, esculturas, jardins etc. Outros seus projetos importantes foram da nova sede da Organização das Nações Unidas, numa equipe de dez outros, em Nova York (1946), a sede do Banco Boavista, na avenida Presidente Vargas, Rio de Janeiro, o prédio da fábrica de biscoitos Duchen (1949), o Centro Comercial Montreal (1950), o conjunto do parque Ibirapuera, obra comemorativa do quarto centenário da fundação de São Paulo, 15 prédios do bairro residencial de Hansa, Alemanha, e vários outros como a torre da Defesa e sede do Partido Comunista Francês, em Paris, anexos da Universidade de Oxford, na Inglaterra, e a reurbanização do Algarve, em Portugal.
Convidado pelo presidente da república, Juscelino Kubitschek (1956), para elaborar o projeto para a construção da nova capital do Brasil, Brasília, sugeriu a abertura de um concurso nacional para o plano geral da cidade, concurso ganho por Lúcio Costa. Porém projetou ali vários edifícios públicos que incluem o palácio da Alvorada (residência presidencial) e a capela anexa, o palácio do Planalto (sede do poder executivo), o edifício do Supremo Tribunal Federal e o do Congresso Nacional, a catedral e o Teatro Nacional, e idealizou obras de tal beleza que levaram as Nações Unidas a declarar Brasília patrimônio cultural da humanidade (dezembro/1987). A consagração de seu talento veio com a exposição montada em no Musée des Arts Décoratifs, do Louvre (1964), a primeira que a instituição dedicava a um arquiteto. Fundou e dirigiu a revista Módulo (1955-1965), em que publicou inúmeros artigos. Escreveu os livros Minha experiência em Brasília (1961), Viagens: quase memórias (1968) e Minha vida de arquiteto (1973).