Compiuti gli studi universitari in fisica tra le Università di Padova e di Bologna, dal 1928 al 1932 fu assistente di Antonio Garbasso all'Università di Firenze, dove fondò la scuola fiorentina di fisica dei raggi cosmici. Nel 1932 diventò professore di fisica sperimentale a Padova, ma nel 1938, con l'emanazione delle leggi razziali, fu costretto a fuggire a Copenhagen da dove, l'anno successivo, si spostò negli Stati Uniti. Tra il 1939 e il 1943 soggiornò prima alla University of Chicago e poi alla Cornell University. Tra il 1943 e il 1945 partecipò, insieme a Fermi e Segré, al progetto Manhattan ai laboratori di Los Alamos per la realizzazione della prima bomba nucleare. Dal 1946 fu professore al Massachusetts Institute of Technology, dove si affermò come una delle maggiori autorità internazionali nell'ambito della fisica dei raggi cosmici e della ricerca astronomica e spaziale.