"Entrópiacsökkentés termodinamikai rendszerben intelligens lény hatására." című, dolgozatában (Berlinben, 1929.) az értelem információtermelő szerepének és a hőtan II. főtételének összefüggését vizsgálta, ezt ma az informatika és az agykutatás kiindulópontjának tekintik. Berlinben számos szabadalma született, az egyik - Einsteinnel közösen - egy új típusú hűtőgépre, amelyben nincs könnyen meghibásodó forgó alkatrész vagy dugattyú. 1933-ban Angliába költözött, ahol felismerte a nukleáris láncreakciót, az atombomba elvi alapját. 1939-ben a New York-i Columbia egyetemen végezte el a feltevéseit ellenőrző méréseit, amelyek bizonyították, hogy az urán hasadását neutronsokszorozás kíséri. Enrico Fermivel közösen szabadalmaztatta az úgynevezett rácsreaktort. 1939-ben Einstein többek között az ő kezdeményezésére hívta fel Roosevelt elnök figyelmét az uránhasadás katonai alkalmazásának lehetőségére. Az 1940-es évek elején tevékenyen részt vett az atomfegyver kidolgozásában. 1945 tavaszán Einsteinnel együtt figyelmeztették az elnököt az atombomba bevetésének szükségtelen voltára. Később az atomfegyverek korlátozásának egyik legaktívabb harcosává vált. A világháború után biológiával foglalkozott, az élet alapproblémáira alkalmazta a fizika egzakt módszereit. A fizika reprodukálható kísérleti feltételeit átültette a biológiába, így alkotott meg például egy, a baktériumok szaporodásának vizsgálatához változatlan feltételeket biztosító kemosztátot. Legfontosabb tudományos eredményei a magfizika és a biológia tárgyköréből származnak. A biofizika atyjának is őt tekintik.