Olasz fizikus. 1918-ban ösztöndíjasként kezdte egyetemi tanulmányait Rómában, majd folytatta és doktorátussal fejezte be a pisai Scuola Normale Superiore egyetemen 1922-ben. Doktori értekezése a röntgensugárzással volt kapcsolatos. A doktorátus után visszatért Rómába, ahol kétéves külföldi tanulmányútra kapott ösztöndíjat. Ennek az időnek első felét Born intézetében töltötte el Göttingenben, a második felét pedig Leidenben, Ehrenfest mellett.
Hazatérte után, 1924-től 1926-ig a firenzei egyetem lektora, 1927-től a római egyetem elméleti fizika professzora és a Fizikai Intézet igazgatója lett. 1938-ban Nobel-díjat kapott „az újabb radioaktív elemek neutron-besugárzással való létrehozásáért, és a lassú neutronok segítségével létrejövő magreakciók egyidejű felfedezéséért". A Nobel-díj átvétele után családjával az Egyesült Államokba utazott, mert félt, hogy zsidó származású felesége miatt hazájában üldözni fogják. 1939-ben New Yorkban a Columbia Egyetem meghívását fogadta el, de 1942-ben Chicagóba költözött, hogy az ottani egyetemen a Compton-csoport munkáját irányítsa, és részt vegyen az első atommáglya építésében. 1944-től Los Alamosban Oppenheimer munkatársa lett az első atombomba előállításában. 1946-ban elfogadta a chicagói egyetem ajánlatát, és az akkor alapított nukleáris tanszék vezetését vette át. Ezt az állását élete végéig megtartotta. Jelentős kutatási eredményeit az atom- és a magfizika, a statisztikus mechanika, a kozmikus sugárzás és az asztrofizika területén érte el.
1934-ben ő és munkatársai számos elemet neutronsugárzásnak tettek ki, és így mesterséges radioaktív izotópok keletkeztek. Az urán neutronokkal való bombázásával megkísérelte, hogy transzurán elemeket állítson elő. Eredményül három különböző radioaktív elem keletkezését is kimutatta. Később derült ki, hogy Fermi ekkor nemcsak transzurán elemeket állított elő, hanem előidézte az első atommaghasadást is.
1939-ben Fermi és Szilárd Leó az uránhasadásban észrevették az önfenntartó láncreakció lehetőségét. 1941-ben Fermi először mutatta ki a spontán bomlásnál keletkező neutronokat. Andersonnal együtt kiszámították a kritikus tömeg nagyságát. 1942-ben vezetésével és sokak közreműködésével a chicagói egyetemen megépült az első atomreaktor. 1949-től a kozmikus sugárzással foglalkozott.