Область научных интересов: ядерная физика, физика высоких энергий, физика слабых взаимодействий, физика нейтрино, астрофизика. В 1931-1936гг. в составе группы Э.Ферми в Италии участвовал в классических работах по открытию свойств медленных нейтронов, которые положили начало практическому использованию ядерной энергии. В 1936-1940 гг. работал в Институте радия в Париже в группе Жолио-Кюри. Здесь им был выполнен большой цикл экспериментов по изучению ядерной изометрии. Эти исследования привели к открытию ядерной фосфоресценциивозбуждения метастабильных состояний бета-стабильных изотопов гамма-квантами. В 1940-1942 гг. работал в США. В этот период им предложен и разработан новый, весьма эффективный, геофизический метод разведки нефти метод нейтронного каротажа, широко применяемый и в настоящее время. В 19431948 гг. занимался исследованиями в Канаде, где выполнил пионерские эксперименты по изучению фундаментальных свойств мюона. Им было доказано, что заряженная частица, образующаяся в распаде мюона, является электроном, что мюон распадается на три частицы и что распад мюона на электрон и фотон запрещен. Первым обратил внимание на то, что вероятность мюонного захвата характеризуется константой Ферми, и высказал гипотезу о существовании универсального мюон-электронного симметричного слабого взаимодействия. Предложил метод регистрации нейтрино от Солнца, ядерных реакторов и ускорителей, известный под названием радиохимического хлор - аргонного метода, который в настоящее время является основным методом регистрации нейтрино от Солнца. Благодаря его работам возникла новая область исследований нейтринная астрономия, позволяющая получить информацию как о внутренней, невидимой области Солнца, так и о свойствах нейтрино. Внес значительный вклад в развитие техники регистрации солнечных нейтрино, разработав пропорциональный счетчик малых размеров, обычно использующийся в современных опытах с нейтрино от Солнца, позволяющий определять ничтожные количества радиоактивных ядер аргона или германия,выделенных из многотонных масс растворов хлора или галлия, облученных этими нейтрино, В конце 50-х гг. переехал в СССР. В экспериментах его группы на синхроциклотроне в Дубне был исследован процесс рождения нейтральных пионов в нуклон-нуклонных соударениях. Большой цикл исследований был посвящен изученияпроцесса упругого рассеяния пионов нуклонами. В 1953 г. независимо от Пайса он высказал гипотезу совместного рождения каонов и гиперонов. С целью проверки этой гипотезы его группа провела опыт по поиску рождения одиночных лямбда-гиперонов в нуклон нуклонных столкновениях. Поскольку такие процессы не были обнаружены, то был сделан вывод о том, что изотопический спин каона равен ½ и что существует два нейтральных К-мезона. Анализируя данные опытов по изучению осцилляций каонов, пришел к заключению о том, что в слабом взаимодействии странность меняется не больше чем на единицу. После 1957 г. его научные интересы, в основном связаны с физикой слабого взаимодействия и в особенности с физикой нейтрино. В 1959 г. он опубликовал широко известную работу "Электронные и мюонные нейтрино", в которой было показано, что нейтрино от ускорителей могут быть зарегистрированы большими детекторами, и была предложена схема опыта, который ответил бы на вопрос о том, отличаются ли электронное имюонное нейтрино. С постановкой этого опыта (Брукхейвен, 1962) началась физика нейтрино высоких энергий на ускорителях. В 1957-1958 гг. высказал гипотезу осцилляций нейтрино, основываясь на идее глубокой аналогии слабого взаимодействия лептонов и адронов, задолго до появления кварк-лептонной аналогии современной стандартной теории электрослабого взаимодействия. В настоящее время десятки экспериментов посвящены поиску осцилляций нейтрино, рассматриваемых как эффект, выходящий за рамки стандартной теории. В 1959 г. онпервым указал на важность процессов слабого взаимодействия нейтрино и электронов для эволюции звезд. Автор следующих открытий и изобретений: Метод получения радиоактивных изотопов(1943), Метод нейтринного каротажа (США,1945), Ядерный метод точного определения глубины нефтяных скважин (США, совм. С Г.Свифтом,1945), Метод каротажа нефтяных скважин, использующий спектральный состав гамма-излучения, испускаемого породами (США, 1945), Безрадиационные переходы в мезоатомах (СССР, совм. С Д.Ф.Зарецким, М.Я.Балацем, П.И.Лебедевым и др., g100, 1971).