Laureato in fisica a Roma nel 1928 è stato uno dei membri dello storico gruppo di via Panisperna, collaborando alle ricerche sulla fisica del neutrone. Nel 1935 diventò professore di fisica sperimentale all'Università di Palermo. Nel 1938 l'emanazione delle leggi razziali lo colse mentre si trovava all'Università di Berkeley, dove rimase per il resto della sua vita. Durante la guerra partecipò, insieme a Fermi e Rossi, al progetto Manhattan ai laboratori di Los Alamos per la realizzazione della prima bomba nucleare. Nel dopoguerra le sue ricerche riguardarono problemi di fisica nucleare e di fisica delle particelle elementari. Nel 1955, con O. Chamberlain, scoprì l'antiprotone nelle interazione protone-nucleone ad alta energia. Per questa scoperta gli venne conferito il premio Nobel per la fisica nel 1959.