战后，费米回到大学里继续从事教学和科研工作，任芝加哥大学教授。
1951年9月29日，费米博士迎来了他的50岁生日。此后，他就放弃了中性电子的研究，转而潜心研究宇宙射线的来源，这是属于天体物理学的问题。广义上仍属原子核物理学范畴。他认为，宇宙线加速器只能产生20亿千瓦电压，比我们的回旋加速器只多出4倍多。宇宙所辐射的能量却要高于几百万倍。物理学家将是永恒的宇宙探险家，永远不会满足已取得的成就。
这年春天，费米所在的美国基本科学研究所大厦落成，恰好和残旧的加速器大楼成鲜明对比。费米半开玩笑地打了一个有趣的比喻。他说：
“回旋加速器有如古老的埃及金字塔，它是世界上不计功利的纪念碑的样板。金字塔和回旋加速器都是人类对于物质力量具体的胜利。两者都不是为物质利益驱使才建造的。”
人们知道，金字塔是埃及的国粹。建造金字塔的目的，是为了歌颂帝王的丰功伟绩和保护法老的尸体。数以万计的奴隶参与了大金字塔的建造。他们光着膀子，用绳子和滚木把几百万块两吨半重的石头从采石场拉到金字塔的施工现场。然而，5 000年后的20世纪中叶建造的巨型原子加速器，虽然没有那么艰巨，却是人类的一项划时代的科学成就。
回顾原子能物理学的发展轨迹，是一条多么艰辛的旅程：
多少年来，各国的物理学家们为了揭示原子的奥秘，呕心沥血，奋斗终生。最初，人们在分析我们所在的世界时，认识到：世界是由物质构成的，物质是由分子组成的，分子又是由原子构成的。但是，原子还可再分吗？
早在100多年前，德国物理学家伦琴发现了一种不可见的光，即X光，向人们证明了原子是可分的，它是由更小的微粒组成的。紧接着，法国物理学家贝克勒发现了铀元素具有天然的放射现象，它能不断地放射出奇异的、穿透力极强的射线。不久，波兰物理学家居里夫人又发现了两种天然放射性元素镭和钋，并注意到它们在发出射线时会转变为另一种元素。
放射性的发现，引导人类走进原子世界的大门。科学家们通过大量的实验，先后知道了任何元素的原子都有电子。20世纪初，英国科学家卢瑟福发现了原子核，并提出了原子模型，探寻了原子核的构造，证明原子核仍是可分的，它内含许多更小的粒子。后来，英国物理学家詹姆斯·恰德威克又发现了不带电的一种粒子流，称作“中子”。
1903年，年仅26岁的科学巨匠爱因斯坦提出了他的惊世骇俗的理论：能量与质量相互联系的“相对论”。他的那个重要的质能公式，为原子能的发现和利用奠定了理论基础，统一了“物质、辐射与能量”的问题。
当科学家们了解了原子核内的巨大能量及其释放原理之后，他们就努力寻找打开核大门的钥匙。当时，世界一流的科学家们都在关注着这一科学史上的重大试验。这时，天才物理学家费米就登场了。
1938年，费米在用中子轰击一系列元素之后，决定用中子去轰击重元素铀，结果发现有新的放射性物质。紧接着，德国科学家哈恩和施特劳斯也做了相同的实验，他们发现铀核被击碎的同时，放出了能量。可是他们还不知道试验中实际已发生了核裂变。流亡在瑞典的奥地利女科学家利泽·迈特娜得知这一消息后，敏感地意识到它的意义重大，经过她的一系列实验，证明了铀核在中子轰击下产生分裂，这个过程中质量有损失，从而转化为能量的散失，其碎片则是新的放射性元素。她把这个过程称为“裂变”。
这时，因受纳粹迫害的费米已移居美国。他对铀原子核进行了严密的实验，得出了重大的推论：“链式核反应”。他指出，核裂变过程中会有中子放射出来，并继续使未裂变的铀核再行分裂，产生链式反应，直到铀元素分裂完结反应才停止。与此同时，会释放出巨大的能量。这种能量理论上的爆炸力等于同质量的 TNT炸药的2 000万倍，而两次裂变之间所需要的时间不到百万分之一秒。
费米的假想，很快为科学实验所证实。
1939年9月，丹麦物理学家玻尔和他的合作者惠勒从理论上阐述了原子核裂变的反应过程，并指出能引起这一反应的最适宜元素是铀-23。5
正好在这个时候，第二次世界大战已经爆发。由于核裂变巨大的能量会在极短的瞬间释放出来，核能的利用就首先被用于战争目的。原子弹也就应运而生了。
自从世界上第一颗原子弹制造出来后的半个世纪当中，我们这个世界就一直笼罩在核威胁的阴影之下。始作甬者的美国拥有的核弹头，据说最多时达到 24000个。据国际战略研究所的统计，美国在1992年还拥有9862枚核弹头，前苏联有10909枚，法国有402枚，英国有192枚，他们还预测说中国有320枚以上。这5个“核大国”的核武器足以把地球摧毁数千次。
然而，将原子技术用于和平目的，却是人类的共同愿望。无数科学家在千方百计地设法使原子能为人类造福，将原子技术用到工业、农业、医疗卫生等广泛的领域，创造出许多奇迹。仅以利用核能发电来说，据国际原子能机构1995年1月公布的统计数字，全世界正在运转的核电站已有430座，总发电量为33.78万兆瓦时。另有55座核电站正在建设中。
全世界核能年发电量相当于中东产油国年产石油一半的发电量。中国在80年代初定出把发展核电作为解决能源问题和发展电力工业的一项重要方针。经过10年努力，建造了秦山和大亚湾两座核电站，年发电量相当于1952年全国总发电量的3倍。中国成为世界上第7个能独立设计和建造首座核电站的国家，并成为核电站的出口国。
1954年11月29日，正值盛年的费米竟离开了人世，享年53岁。他为原子物理学的研究贡献了毕生的精力。
