费米垃统计力学领域做出了佢第一個重大理论贡献。物理学家沃尔夫冈·泡利1925年提出來泡利弗相容原理。费米依据昰隻原理对於理想气体系统进行仔分析，所得到个统计形式乃朝通常称作费米–狄拉克统计。乃朝咾，遵守弗相容原理个粒子畀称为“费米子”。之后，泡利又对β衰变进行仔分析。为使昰隻衰变过程能量守恒，泡利假设垃产生电子个辰光同时会产生一种电中性个粒子。昰种粒子当时尚未观测得到。费米对於昰排粒子个性质进行了分析，得出了渠个理论模型，并擔其称为“中微子”。佢对β衰变进行理论分析而得到个理论模型後首來畀物理学家称作“费米相互作用”。昰隻理论後來发展为弱相互作用理论。弱相互作用是四种基本相互作用之一。费米还对由中子诱发个感生放射进行仔实验研究。佢发现慢中子要比快中子易於俘获，并推导出费米寿命方程来描述昰隻放射过程。在用慢中子对钍核以及铀核进行爻轰击后，佢认为佢得到了新个元素。尽管佢因为昰隻发现而获得了诺贝尔物理学奖，但昰些元素後首來畀发现衹不過是核裂变产物。