Il découvrit en 1899 la radioactivité du thorium et donna, avec Soddy, en 1903, la loi des transformations radioactives. Il distingua les rayons β et α, montrant que ces derniers sont constitués de noyaux d'hélium. Grâce aux rayons α du radium, il réalisa en 1919 la première transmutation provoquée, celle de l'azote en oxygène, qui s'accompagne d'une production de protons. Il proposa un modèle d'atome composé d'électrons satellites et d'un noyau central. En prônant l'utilisation de particules artificiellement accélérées, il est à l'origine de la physique nucléaire. (Prix Nobel de chimie 1908.)
