Estudià a l’institut politècnic de Petrograd i el 1921 se n’anà a Anglaterra a treballar a la Universitat de Cambridge. A partir del 1924 col·laborà amb Ernest Rutherford com a assistent seu al Cavendish Laboratory, on feu recerques sobre el magnetisme amb uns aparells ideats per a produir camps molt potents (5 × 105 G) no superats fins el 1956. Membre del Trinity College (1923) i de la Royal Society (1929), publicà el 1934 uns treballs sobre la liqüefacció de l’heli. El 1935 tornà a l’URSS i un any més tard acceptà de dirigir a Moscou l’Institut Vavilov de l’Acadèmia de Ciències de l’URSS. El 1946, en refusar de col·laborar amb el programa d’armament nuclear, fou apartat per Stalin de l’Institut, però poc després de morir aquest hi retornà (1954). El 1955 participà en el programa de satèl·lits Sputnik. Posteriorment, treballà en la fusió nuclear. Ha rebut nombrosos premis i distincions, com ara la Rutherford Medal (1966) i el premi Nobel de física (1978) juntament amb Arno A. Penzias i Robert Woodrow Wilson.