1939-1941-ig a washingtoni Carnegie Intézet földmágnesség osztályán fizikusként dolgozott. 1940-ben Edwin McMillannel együtt felfedezte az első transzurán elemet, a neptuniumot. A 2. világháború alatt a haditengerészet kutatólaboratóriumában (Naval Research Laboratory) dolgozott. Az urán 235-ös és 238-as izotópjának szétválasztására kidolgozott, termodiffúzión alapuló módszerével jelentősen hozzájárult a Manhattan projekt sikeréhez. A háború utáni munkájával megalapozta az atomenergiával meghajtott tengeralattjárók építésének amerikai programját. 1946-ban visszatért a Carnegie Intézetbe. 1953-1971-ig az intézet geofizikai laboratóriumának az igazgatója, 1971-től 1978-ig a Carnegie Intézet elnöke volt. 1962-től 1984-ig a Science folyóiratnak volt a szerkesztője.