又經過一係列實驗證實，有些元素，如矽、鋅、磷等似乎不受慢中子的影響，而銅、碘、鋁等則受其影響。於是費米決定重新做中子轟擊每個元素的試驗，看看慢中子的轟擊是否會產生不同的蛻變產物。1938年，費米由於對中子轟擊原子核的研究及發現與此有關的慢中子所致的核反應而獲諾貝爾物理獎。
事實上費米得到的並不是“超鈾”元素。1939年費米到了美國。當時德國科學家哈恩與斯特拉斯曼用化學方法檢驗了費米的實驗，發現用中子轟擊鈾原子，隻能得到地球上已存在的鋇。從費米的錯誤結論出發，竟然得到一個意想不到的驚人成就。因為鋇的重量略高於鈾的一半，這是無法用“原子核的‘裂變’”理論解釋的。因此，哈恩與斯特拉斯曼便大膽地提出一種新設想，認為鈾原子核受到中子的轟擊後，不是“衰變”，而是“分裂為大致相等的兩個中等質量的原子”。這就是著名的“裂變理論”。
當費米得知核裂變誕生時，馬上從外地返回哥倫比亞大學，一頭紮進物理實驗室。他用精密細致的實驗驗證了“裂變理論”的正確性，並致力於研究裂變的“鏈式反應”，進而建立了一整套“鏈式反應”的基本概念和基礎理論。
費米為人類科學的發展做出了不朽的貢獻。鈾核反應的實驗成功及其基礎理論的產生，為後來原子彈的試製成功提供了有力的實驗基礎和可靠的理論依據。這一重大成果，打開了長期封閉的原子核能寶庫的巨鎖，為人類找到了取之不盡、用之不竭的新能源寶藏。由於取得如此巨大的成就，費米成為原子能事業的先驅，成為世界上最有聲望的科學家之一。
費米仍然沉湎於它的實驗研究，有人認為費米輻照鈾時所產生的是鏷，而不是新的鈾後元素。費米也認為這的確需要做進一步的實驗來證實。德國威廉大帝化學研究所的哈恩和梅特涅於1917年發現了鏷。他們了解它的化學特性，因此覺得自己有資格重複費米做過的轟擊鈾的實驗。在柏林和巴黎，研究者發現，經過輻照的鈾有許多不同的半衰期，這實在令人感到迷惑不解；哈恩認為他比世界上任何人更適合進行這種微妙的放射性化學實驗。
1935年，哈恩和梅特涅一同尋找中子轟擊鈾的所有產物。到1938年初，被他們發現的不少於10種半衰期不同的放射性活動。他們假定這些物質是鈾的同位素或鈾後元素。哈恩對這些化學變化很感興趣，沒有注意到能量的變化，而梅特涅發現產生這些新元素所放出的能量巨大，而且越來越無法解釋。