Estudià i es doctorà a la Universitat de Pisa (1922), i fou professor de física teòrica a Florència (1924) i Roma (1927). El 1939 s’establí als EUA, i el 1945 es naturalitzà nord-americà. Des del 1939 fou professor de física a la Columbia University, i col·laborà en els primers assaigs i investigacions de la bomba nuclear (projecte Manhattan). Descobrí les reaccions en el nucli produïdes per neutrons amb moviment lent, i observà que aquests eren absorbits més fàcilment pel nucli atòmic que les partícules accelerades. Creà el primer reactor nuclear, que permeté el treball controlat amb aquesta mena d’energia. Investigà la teoria de l’estructura fina dels espectres i la formació dels raigs còsmics. El 1938 li fou concedit el premi Nobel de física. Entre les seves obres es destaca Elementary Particles (1951).