Fermi 1938-ci ildə faşist İtaliyasından emiqrasiya edərək ABŞ-yə yollanmışdır. 1939–1945-ci illərdə Kolumbiya Universitetinin professoru kimi çalışmış, ABŞ-nın nüvə enerjisi sahəsində apardığı tədqiqatlara rəhbərlik etmişdir.

Fermi – kvant fizikasının banilərindən biridir. 1925-ci ildə birgə Pauli prinsipinə tabe olan və sonralar adlandırılacaq hissəciklərin statistikasını işləyib hazırlamışdır.

1933-cü ildən sonra Fermi özünü bütövlüklə kvant fizikası məsələlərinə həsr edir. 1934-cü ildə o β-parçalanma nəzəriyyəsini irəli sürür. Bu nəzəriyyənin mahiyyəti ondan ibarət idi ki, β -parçalanma zamanı elektrondan savayı neytrinolar adlanan hissəciklər də ayrılır. Ferminin bu nəzəriyyəsi elementar hissəcikərin qarşılqlı təsirinin müasir nəzəriyyəsinin prototipi kimi göstərilir.

1934-cü ildə Enriko Fermi elementlərin neytronların təsirinə məruz qoymaqla nüvə fizikası sahəsində ilk mühüm eksperimental tədqiqatı həyata keçirir. Jolio-Kürinin süni radioaktivlik hadisəsinin kəşfindən sonra Fermi neytronların yüksüz olmaqları və nüvənin təsirinə məruz qalmamaları səbəbindən radioaktiv elementlərin alınmasında daha effektiv vasitə – hissəcik olması qənaətinə gəlir. Bu elmi mülahizə sonralar özünü doğruldur və nəticədə 60-dan artıq yeni radioaktiv izotoplar alınır və neytronların ləngiməsi hadisəsi müəyyən olunur.

Ferminin rəhbərlik etdiyi tədqiqat qrupunun gördüyü işlər elm aləmində olduqca yüksək qiymətləndirilir və neytron fizikası elminə giriş rolunu oynayır. Radiaktiv elementlərin neytron bombardmanı ilə alması və ləng neytronların təsiri altında nüvə reaksiyaların müəyyən etməsinə görə Fermi 1938-ci il fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülür. Stokholma mükafatın təqdim olunması mərasiminə ailəsi ilə birgə qatılan Fermi vətəni İtaliyaya baş çəkmir. Belə ki, o vaxtlar İtalya Mussolinin faşist diktaturası altında inildəyir və ölkədə faktiki olaraq elmi tətqiqatlar ləğv olunur. Fermi mükafatı aldıqdan sonra yenidən ABŞ-yə yollanır və burada ona bir neçə universitetdən professorluq təklif olunur. Fermi Nyu-Yorkdakı Kolumbiya universitetini seçir.

1939-cu ilin yanvar ayında Fermi uranın parçalanması zamanı sürətli neytonların ayrılması və ayrılan neytronların sayının udulmuş neytronların sayından çox olduğu halda zəncirvarı reaksiyaya gedən yolun açıq olmasının mümkünlüyü fikrini irəli sürür.

Aparılmış eksprementlər sürətli neytonların mövcudluğunu təsdiq edir, lakin bir parçalanma hadisəsi çərçivəsində ayrılan neytronların sayını dəqiq təyin etmək mümkün olmur. Bu dövrdə Fermi uran-qrafit sistemində zəncirvarı reaksiyalar nəzəriyyəsi üzərində çalışmalara başlayır. 1941-ci ilin yazında bu nəzəriyyə işlənilib hazırlanır və elə həmin ilin yayında eksperimentlər seriyasına başlanılır. Bu tədqiqatlarda əsas məqsəd neytron axının hesablanması olur. Otuza yaxın təcrübə sınaqdan keçirilir və 1942-ci ilin iyun ayında neytronların artma əmsalının vahiddən böyük qiyməti əldə olunur. Bu təcrübənin praktiki əhəmiyyəti uran və qrafitdən daha böyük çərçivədə zəncirvari reakiyaların alınmasının mümkünlüyü və nüvə reaktorunun işlənilməsi demək idi.

Fermi neytronla, demək olar ki, əksər kimyəvi elementdə çevirmə aparmış və 60-dan çox radioaktiv izotop almışdı. 100-cü kimyəvi element Ferminin şərəfinə adlandırılıb.

Elmdə Fermi həmişə gənc və enerjili olaraq qalırdı. Əlli yaşına yaxın nüvə enerjisi sahəsində zəngin bilik və təcrübəsi və yeni tədqiqatlar üçün gözəl imkanlarının olmasına baxmayaraq, elmi fəaliyyətinin istiqamətini dəyişir və yüksək enerjili hissəciklər və astrofizika sahələrində işləməyə başlayır. Bu sahələrdə də möhtəşəm elmi nailiyyətlər əldə edə bilir.

Enriko Fermi 28 noyabr 1954-cü ildə ömrünün cəmi 53-cü ilində mədə xərçəngindən vəfat edir. Dahi alim daha 15–20 il yaşasaydı, hansı nailiyyətə çata bilməsini təsəvvür etmək olduqca çətindir. Amma nail olduğu elmi nailiyyətlər belə Pontekorvonun dediyi kimi, 6–8 Nobel mükafatına layiqdir. Bundan da vacibi Fermi dünya fizika tarixində müstəsna istedadlı alim-fizik kimi yaşayır.

1956-cı ildə dahi alimin şərəfinə ABŞ-də enerji sahəsində tədqiqat, enerjidən istifadə və onun istehsalı üzrə istifadəyə dəyərli töhfələr vermiş alimlərə verilən Enriko Fermi mükafatı təsis olunur.