Kariera naukowa Po doktoracie w 1913 roku został delegowany przez Marię Skłodowską-Curie – wraz z drugim spośród jej najzdolniejszych asystentów-Polaków, Janem Kazimierzem Danyszem – do Warszawy, gdzie wspólnie tworzyli Pracownię Radiologiczną Towarzystwa Naukowego Warszawskiego im. Mirosława Kernbauma przy ul. Śniadeckich 8. Jej kierownictwo zgodziła się objąć Maria Skłodowska-Curie, równocześnie polecając J.K. Danysza na swojego zastępcę w Warszawie i Ludwika Wertensteina na asystenta. Po śmierci Danysza na froncie w sierpniu 1914 roku Wertenstein przejął jego zadania i kierował Pracownią do początku II wojny światowej.
Od 1915 roku był też wykładowcą Wolnej Wszechnicy Polskiej; kierował w niej katedrą i Zakładem Fizyki Atomów. Dyplomy magisterskie uczelni nie były uznawane przez polski rząd, ale w odróżnieniu od innych szkół uczelnia nie miała ograniczeń dotyczących przyjmowania studentów Żydów. Ze względu na żydowskie pochodzenie Wertenstein napotykał na przeszkody ze strony rządu, odmawiano mu m.in. finansowania badań. Wraz z kilkoma współpracownikami prowadził w trudnych warunkach pionierskie prace w dziedzinie fizyki i chemii jądrowej w Polsce.