Główne osiągnięcia W dziedzinie teorii głównym osiągnięciem Fermiego była teoria rozpadu beta. Jest to proces zachodzący w nietrwałym jądrze atomowym, podczas którego dochodzi do przemiany neutronu w proton oraz emisji elektronu i antyneutrina (n→p+e+ν). Fermi poddał go wnikliwej analizie, w wyniku której wprowadził do nauki nowy rodzaj siły – oddziaływanie słabe. Opublikował tę pracę w 1933 po włosku, gdyż jej oryginalna wersja – angielska – została odrzucona przez czasopismo Nature jako zbyt spekulatywna.
W Ameryce Fermi wkrótce został wciągnięty w przedsięwzięcie zmierzające do uzyskania kontrolowanej łańcuchowej reakcji jądrowej. W 1942 udało mu się zbudować pierwszy reaktor jądrowy na stadionie University of Chicago w Stagg Field. Przy użyciu grafitu, jako moderatora, Fermi i jego zespół przystąpili do konstruowania stosu atomowego. Składał się on z około 40 000 bloków grafitowych – specjalnie do tego celu wyprodukowanych, aby wykluczyć możliwość zanieczyszczeń – w których wydrążono około 22 000 otworów, by w nich umieścić kilka ton uranu. 2 grudnia 1942 o godzinie 14:20 rozpoczęła się era atomowa, gdyż właśnie wtedy uruchomiono stos Fermiego, w którym przez 28 minut dochodziło do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej.