1934年1月，居裏夫人的女兒——法國物理學家伊倫娜和她的丈夫——法國物理學家弗雷裏克·約裏奧宣布：他們在實驗中用高速α粒子作為“炮彈”，轟擊鉛原子，結果發現了人工放射現象。原先沒有放射性的鉛，當它被α粒子轟擊時，轉變成了能放出輻射線的元素，情況和天然放射性元素一模一樣。
消息傳到意大利，費米覺察到未來屬於原子核物理。他立即決定探索這個新的課題，但他不打算重複法國物理學家的實驗，他要開辟一條新途徑去研究人工放射性。
原本是理論物理學家的費米，現在卻要從事實驗物理學家的研究工作，麵臨的困難可想而知。當時，羅馬大學的實驗室沒有任何轟擊原子所需的儀器和設備，也沒有經費去買。實際上有的儀器有錢也買不到。
費米是一個意誌堅強、知難而進的科學家，沒有被困難嚇倒，他努力創造條件，從最基礎的準備工作做起，自己動手製作試驗所需的儀器。為了尋找轟擊原子的“炮彈”，他改用不帶電的中子作為“炮彈”去轟擊原子。可是，中子的來源呢？幸好，在物理樓的地下室裏，存放著屬於衛生部的一克鐳和一套從鐳中提取氡的設備。氡是鐳在天然衰變中形成的一種氣體。它本身也會自動地發生衰變，發射出α粒子。如果把氡和鈹粉混合在一起，α粒子就會轟擊鈹，使它發射中子。費米無償地獲得了中子源，於是，一切準備工作就緒。
從此，物理樓的二樓便成了費米進行原子角逐的戰場。1934年秋天，費米和他的試驗小組在繼續對某些金屬試驗人工放射時，意外地發現把一大塊石蠟放在中子源和銀塊之間，銀的放射性突然提高了100倍。興奮不已的物理學家們跑到物理樓後院的養魚池旁，把中子源和銀塊放入水中，獲得了同樣的結果。費米立即進行了綜合分析，結論是：由於中子在穿過石蠟和水時速度減低，被銀原子俘獲的幾率增大，從而有較多的銀原子轉變為放射性元素。這個重大的發現，預示著在不遠的將來，人工放射性物質將會代替價格昂貴的天然放射性物質。同時，預示著為人類造福的原子能將會有廣闊的前景。
為了表彰費米的功績，1938年12月10日，他榮獲了科學家的最高榮譽——諾貝爾獎。
1938年，德國、意大利的法西斯們稱霸世界的野心進一步惡性膨脹，歐洲上空戰雲密布，第二次世界大戰一觸即發。費米的妻子是猶太人，自然時刻受到威脅，生命安全都沒有保障。這一切引起了費米的強烈不滿。1938年12月，他利用前往瑞典領諾貝爾獎的機會，攜家帶口，逃出了法西斯的魔掌，於1939年1月抵達美國前往哥倫比亞大學任教。
這時，有可靠消息證實，德國法西斯正在加快原子裂變的研究步伐，侵略成性的法西斯一旦掌握了原子能並把它用於軍事，給人類帶來的災難是不堪設想的。費米決定加快步伐，搶在希特勒的前麵，掌握利用原子能的技術。
1940年，費米等人建造了世界上第一個核反應堆，他們的研究進展順利。1942年12月2日上午，在費米的指揮下，反應堆的控製棒一點點按著計算被抽了出來，非常地謹慎。這樣一上午過去了，到了午飯時分，雖然並沒有一個人做出饑餓的表示，費米這個尊重習慣的人卻宣布現在已成為曆史的那句名言：“我們去吃午飯吧。”午飯過後，大家又重新各就各位。直到下午3時20分，控製棒被抽出到計算的尺度，反應堆開始運行，地球上第一次點燃了原子之火，在人的監視下釋放出原子能，費米妻子也參與了研究工作。這個被稱為“芝加哥冶金實驗室”的工程，是動力工程學發展史上，也是整個人類文明史上繼“伏打電堆”之後又一次飛躍。
1942年12月2日的核反應堆實驗證明了原子能的釋放是可行的，設計和製造原子彈的工作也加快了步伐。秘密研製地點選在了新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯峽穀一塊人跡罕至的平地上，這個地點對外叫1663號信箱。以前人很少，但1943年1月以後，這裏住進了各種各樣的人，有工程兵，有科學家，有家屬，也有孩子，形成了一座新的城市。地圖上沒有這個城市，它沒有正式地位，它的居民不能參加選舉。就在這樣一個四周被鐵絲網圍起的城鎮，在這個與世隔絕的地方，世界上誕生了第一顆原子彈。
費米是以科學顧問的身份參加研製的。當該項工程的參加者提出僅把原子武器用於戰爭的倡議時，費米沒有支持，他是轟炸長崎、廣島的讚同者之一。他說，曆史上的先例不管其價值如何，卻沒有證明武裝的進步嚇得人們不敢發動戰爭，他還認為，一場戰爭的嚴酷程度不取決於毀滅手段的技術進步，而是取決於使用武器的意誌以及各交戰國所願意采取的懲罰數量，但是他本人並不是好戰主義者。
1946年，費米回到了重建起來的芝加哥大學核研究所。他繼續研究著高能粒子物理，像過去一樣，費米不擔任任何行政職務，但他確定著研究所內眾多同事的研究方麵。他建立了一個新的、美國著名的基本粒子物理學派。
1946年3月19日，為了表彰費米的功績，美國政府授予費米國會勳章。勳章證書上寫道：“作為一個偉大的實驗物理學家，費米博士的健全的科學判斷力，他的首創性和豐富的才能以及不屈不撓的忠於職守的精神，對原子彈計劃的成功做出了極其重要的貢獻。”