Bölcsészdoktori disszertációja (Römische weibliche Gewandstatuen) a római női arcképszobrászattal foglalkozott, annak első magyar nyelvű, átfogó feldolgozását adta. Az antik portréművészetről írt műve négy nyelven is megjelent, többek között ennek honoráriuma tette lehetővé, hogy három hónapra Olaszországba utazzon további tanulmányútra. 1913-ban Kis-Ázsiában, 1933-ban, 1935–36-ban ösztöndíjjal Görögországban végzett kutatásokat.

1911-ben a budapesti egyetemen a klasszika-archeológiából magántanári képesítést nyert, s kinevezték a klasszika-filológia első egyetemi előadójává, majd 1918. szeptember 18-án a művészettörténet nyilvános rendes tanára lett. 1914 és 1919 között a Képzőművészeti és Rajztanárképző Főiskolán is tanította az ókori művészettörténetet. Állami alkalmazottként 1905–06-ban a Vallás- és Közoktatásügyi Minisztériumban gyakornok, 1906–07-ben segédfogalmazó. 1907-től a Magyar Nemzeti Múzeum Érem- és Régiségtárának segédőre, 1911-14 között őre lett.

Magyarországon a római Pannonia provincia művészetének kutatása keretében 1908 és 1912 között ásatásokat végzett Dunapentelén. Hampel József régész akadémikus halála után (1913), saját kérésére a Szépművészeti Múzeum antik plasztikai osztályára helyezték át (itt kapott helyet a Hampel által összeállított gipszöntvénygyűjtemény), 1914–1918 között az osztály vezetőjeként rá hárult a gyűjtemény megszervezésének feladata. Múzeumi munkálkodása során jelentős műtárgygyarapítási tevékenységet folytatott és jól kirajzolódott tudósi szakértelme mellett megnyilvánuló intézmény- és közösségszervező képessége. Újrarendezte az antik gyűjteményt, felállította a gipsz szobormásolatokat, majd elkészítette azok katalógusát.

Távlati célja és tudósi munkásságának nagy álma egy dél-anatóliai (kilikiai) kutatóállomás létrehozása volt, ahol egykori mestere, Adolf Furtwängler mükénéi ásatásainak mintájára szervezhetett volna kutatásokat. Az első változatában Athénban létesítendő magyar intézet terve az első világháború előestéjén született meg, kormányzati részről legfőbb támogatója Berzeviczy Albert vallás- és közoktatásügyi miniszter, a Magyar Tudományos Akadémia újonnan megválasztott elnöke volt. A kezdeményezés a Tisza-kormány bukása miatt meghiúsult, de Tisza második miniszterelnökségének idején, 1914-ben újra napirendre került. Hekler Antal barátjával és rendszeres „utazótársával” gróf Klebelsberg Kunóval ezen cél érdekében szervezte meg a konstantinápolyi Magyar Intézetet, melynek Hekler igazgatója lett (megjegyzendő, hogy az igazgatói posztra az akkor már akadémikus bizantinológus Darkó Jenőt és Pósta Bélát, a kolozsvári egyetem régészeti tanszékének vezetőjét is számításba vették korábban). Az intézet mindazonáltal a világháború miatt csak rövid ideig működhetett 1917 és 1918 között. Hekler kis-ázsiai kilikiai ásatások megindítására vonatkozó terve a későbbiekben sem valósult meg.

A Tanácsköztársaság idején eltávolították az egyetemről és visszahelyezték a Szépművészeti Múzeumba, de a proletárdiktatúra bukása után ismét visszakerült az egyetemre. 1928–29-ben a bölcsészettudományi kar dékánja volt. Oktatóként is kiemelkedett szuggesztív előadásaival, a korban (1908-tól) újításnak számító vetített képekkel színesített népszerűsítő előadásaival. Az egyetem mellett nagy hallgatóság előtt tartott népszerűsítő előadásokat a Magyar Nemzeti Múzeumban és különböző szabadegyetemeken művészettörténész generációk egész sorának keltve fel érdeklődését. Előadásai (kéz- és gépiratos előadásvázlatai) tanítványai gondozásában és kiadásában fennmaradtak, oktatói munkájának lenyomataként azokat ma a Művészettörténeti Intézet adattára őrzi.

Közösségszervezőként is kimagasló tevékenysége nyomán, ellátta a Budavári Tudományos Társulat Kiadványai című sorozat, 1925-től haláláig az Archaeologiai Értesítő szerkesztői feladatát. Kiemelkedő szerepet töltött be a tudományos közéletben is. A Magyar Tudományos Akadémia 1920. május 5-én levelező, 1934. május 11-én rendes tagjává választotta. Első akadémiai székfoglalója (A klasszicizmus jelentősége és térfoglalása az ókori művészetben) 1921. február 7-én, második székfoglalója (A magyarországi barokk szobrászat európai helyzete) 1935. február 11-én hangzott el. Az előadások tematikája is jól mutatja, hogy – bár fő kutatási területét az ókori művészet, ezen belül a szobrászat jelentette – tudományos érdeklődése és előadói palettája folyamatosan fejlődött és idővel kiterjedt az egyetemes és a magyar művészettörténet további korszakaira is. Elmélyülten foglalkozott Michelangelo és Leonardo da Vinci munkásságával, rendes tagsági akadémiai székfoglalóját pedig már a barokk szobrászatról tartotta.

1935-től a Kisfaludy Társaság rendes, 1938-tól a Német Tudományos Akadémia levelező, 1939-től a Pápai Tudományos Akadémia levelező tagja volt. Számos európai szervezet a tagjai közé választotta. 1937-től az Athéni Régészeti Társulat tiszteletbeli, a német és az osztrák régészeti intézet rendes, a holland és a bolgár régészeti intézet levelező tagságával ruházták fel. 1927-től haláláig ő töltötte be az Országos Magyar Régészeti és Művészettörténeti Társulat másodelnökségét. Tudományos közösségszervezői tevékenységén túl kiemelt érdeme, hogy a magyar műalkotásokat európai keretek között mutatta be. A klasszika-archeológia számos új módszerét honosította meg hazánkban, ösztönzésére és irányításával indult meg a hazai reneszánsz alapkutatás és számos barokk témájú feldolgozás. Több kitüntetésben részesült, melyek közül kiemelkedik a görög királyi Phoenix rend, a II. osztályú Magyar Érdemkereszt. 1930-ban Corvin-koszorút kapott.

Hekler Antal 1940. március 3-án hunyt el Budapesten.