Après son doctorat, il a rejoint le personnel de l'université de Californie à Berkeley, puis le Berkeley Radiation Laboratory lors de sa fondation en 1934.
En 1940, il découvrit le neptunium, produit de la désintégration de l'uranium 239, en utilisant le cyclotron de Berkeley. Durant la Seconde Guerre mondiale, il a participé aux recherches sur le radar, le sonar et les armes nucléaires. En 1945, il eut des idées pour l'amélioration du cyclotron, qui ont mené au développement du synchrotron.
En 1946, il est devenu professeur à Berkeley, puis en 1954 directeur associé du Lawrence Radiation Laboratory. Il en devint le directeur en 1958, et le resta jusqu'à sa retraite en 1973.
(en) Curriculum vitae sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
