В 1929 году Курчатов вместе с П.П. Кобеко изучает явление высокой диэлектрической проницаемости сегнетовой соли. Результатом этих исследований явилось открытие чрезвычайно интересного физического явления - сегнетоэлектричества. Молодой ученый создал строгую теорию этого явления. За работы по физике диэлектриков Курчатову в 1934 году без защиты диссертации присвоили степень доктора физико-математических наук.

Занимается Курчатов и физикой полупроводников, но начиная с 1932 года его все более увлекает физика атомного ядра. В то время в Ленинграде существовала лишь маленькая лаборатория Д.В. Скобельцына, изучавшего космические лучи, да несколько человек под руководством Л.В. Мысовского изучали явление радиоактивности в Радиевом институте. Курчатов стал фактическим руководителем исследований в этой области. В работе нельзя обойтись без источников быстрых частиц, вызывающих ядерные реакции, и первое, что было сделано Игорем Васильевичем, это сооружение высоковольтной установки и ускорительной трубки для получения пучка протонов с энергией в 350 КЭВ. С этого времени атомная физика стала делом всей жизни ученого.

Вскоре на берегах Невы при участии и под руководством Курчатова был пущен циклотрон.

Одновременно с сооружением необходимых для работы установок Курчатов с 1934 года, особенно после открытия Ферми искусственной радиоактивности, вызываемой нейтронами, ведет напряженные экспериментальные исследования атомного ядра. В распоряжении ученого имелось очень незначительное количество нейтронов, поток их был невелик, и экспериментатору приходилось очень трудно. В 1935 году Курчатов вместе со своим братом Борисом Васильевичем, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте, а также Л.В. Мысовским и Л.Л. Русиновым обнаружил изомерию атомных ядер радиоактивных элементов. Они облучали нейтронами обычный бром, состоящий из двух изотопов, и обнаружили, что в результате облучения образуются радиоактивные вещества с тремя различными периодами распада.

В 1939 году Курчатов заинтересовался проблемой деления тяжелых ядер. В это время в результате работ советских и зарубежных ученых был открыт новый вид радиоактивности - самопроизвольное деление урана. Суммируя зарубежные и отечественные исследования. Курчатов пришел к выводу о возможности цепной реакции на медленных нейтронах и получения атомной энергии. Он представил в Академию наук СССР план развития ядерных исследований во всесоюзном масштабе. Война помешала осуществлению этих планов.

В августе 1941 года Курчатов вместе с Александровым и группой сотрудников уехал в Севастополь, где уже работала часть ученых.

Условия работы были нелегкими, так как отсутствовало специальное оборудование. С приездом Курчатова и Александрова дело пошло быстрее. Игорь Васильевич поразил всех своей энергией и организаторскими способностями. Ему очень нравилась его новая работа.

Вскоре Александрова отозвали, а Курчатов остался в Севастополе. Благодаря его энергии были оборудованы специальная станция, контрольные площадки, усовершенствована методика измерений.

Все свои знания и опыт Курчатов отдавал обороне города. По его инициативе создается первый баржевый электромагнитный трал для подрыва вражеских мин.

В 1942 году за работы по противоминной защите А.П. Александрову, И.В. Курчатову вместе с группой других ученых присуждается Государственная премия.