理学院讲师期间，他与妻子合作研究原子结构，主攻原子射线。他们曾两次与诺贝尔奖失之交臂：不过，因为稳定的人工放射性的发现，他们获得了1935年诺贝尔化学奖。他也是历史上最年轻的诺贝尔化学奖得主（35岁）。1937年，他开始担任法兰西学院教授，并参与链式反应和核反应条件的研究，成功通过利用铀和重水实现可控核裂变的核反应产生能量。约里奥是爱因斯坦在与罗斯福总统的信件中提及的科学家之一，爱因斯坦称他为链式反应的主导科学家之一。在第二次世界大战期间，他坚持在法兰西学院和镭学所的研究工作，但拒绝从事核武器方向的研