Il créa, en 1927, avec Dirac, une théorie statistique permettant d'expliquer le comportement des électrons et des nucléons (statistique de Fermi-Dirac), et donna, en 1932, la première théorie quantique de l'interaction faible, expliquant ainsi la radioactivité β. Il a aussi développé la physique des réactions nucléaires à l'aide des neutrons lents. En 1938, il passa aux États-Unis. Il fut responsable de la première « pile atomique » à uranium et graphite réalisée à Chicago en 1942 et joua un rôle majeur dans le projet Manhattan, qui aboutit à la mise au point des armes nucléaires. Après la guerre, il fut l'un des initiateurs de la physique des particules. (Prix Nobel 1938.)
