1926年春天，考賓諾和他在數學界的幾個朋友，正在籌建羅馬理論物理講座，他們提名費米擔任首席主講。這時，費米像一顆正在科壇升起的明星，而考賓諾他們認準費米是意大利物理學複興的最大希望。不久，一個以費米為核心的誌同道合的青年物理學家的集體，在短短的時間內形成了。這一群人太年輕了，費米和他在比薩大學的學友拉賽蒂年齡最大——26歲，最小的一位年僅19歲。他們挑選的第一個學生是西格雷，後來他成為世界知名的物理學家，獲得了1959年諾貝爾物理學獎。考賓諾做好行政的全部工作，為這群“年輕的孩子們”創造專心致誌工作的條件。
費米資質聰明，心性敏捷，早年就已顯露才華，因而在1918年被獲準進入比薩的師範學校，他後來在比薩大學完成學業，於1924年獲得哲學博士學位。
費米小組成立不久，在意大利科摩舉行了國際物理學會議，世界上最著名的物理學家幾乎都應邀參加了會議。年輕的費米以他的統計理論聞名於世，被推選為理論物理討論會主席。年輕的物理學家們經曆了理論界的考驗，也逐漸為國際物理學界所注意。
在意大利羅馬大學的物理學研究集體中，費米是公認的“教皇”。拉賽蒂成了“紅衣主教”。他們把現代物理學奉為至高無上的法寶。
1925～1926年，量子力學剛剛出現，費米敏銳地把它看作是推進原子核物理發展的重要信號，他們把原來熟悉的光譜學研究暫時放下，轉到原子結構領域。他們的頭一個巨大勝利，是關於β射線理論，揭示了原子核內作用力的奧秘。1932年，費米已經成為造詣頗深的核物理學家了。
1934年是核物理進入新發展的轉折時期。這年春天，居裏夫人的女兒和女婿宣布了一項重大發現：一種原子經過轟擊之後，可以變成另一種原子。這是近13年來關於人工實現核反應的第一次突破。人們知道，隻要用一種α粒子像炮彈一樣轟擊某種物質原子，就可能使它變成另外一種物質原子。小居裏夫婦發現用α粒子為“炮彈”，可以轟擊一些輕元素，但對於重元素就無效了。
這一發現轟動了整個物理學界。絕大多數人都認為是“轟擊”的方式不對，而費米則敏銳地提出是“炮彈”的問題。費米用一種叫做“中子”的粒子作炮彈，打碎了所有元素的原子核。
當費米和夥伴們用中子轟擊當時周期表的最後一個元素“鈾”時，他們發現了“鈾核裂變”，鈾核破碎變成了新物質。盡管費米和夥伴們發現了科學的奇異現象，但他們是物理學家，而不是化學家，他們聽信了當時化學家的普遍看法，以為他們發現了第93號元素。
其實，費米他們得到的並非什麼“第93號元素”，而是鈾核被打碎成了兩半。5年之後（1939年），經過德國科學家哈恩和斯特拉斯曼進行的更嚴格的分析實驗，證實了這一點。女科學家邁特納等闡明了這一現象為“核裂變”。
原子核發生裂變會發出極大的能量，每個原子核都是一個能量的貯存庫，關鍵是怎樣打開能源寶庫的大門。費米和夥伴們發現的“鈾核裂變”，為打開原子能的寶庫提供了一把鑰匙。