Hijo de un alto funcionario del Ministerio de Comunicaciones, desde muy joven demostró una gran capacidad para las matemáticas y la física. Tras estudiar en la Universidad de Pisa, se doctoró en esta universidad en 1922, con una tesis dirigida por el profesor Luigi Puccianti (1875-1952).

Posteriormente completó su formación con estancias postdoctorales en la Universidad de Göttingen, trabajando con Max Born (1882-1970, Premio Nobel de Física en 1954) en 1923 y con Paul Ehrenfest (1880-1933) en la Universidad de Leiden (1924). Tras su regreso a Italia, fue contratado por la Universidad de Florencia donde permaneció dos años (1924-1926) como profesor de Física Matemática y Mecánica.

En 1926 realizó su primera gran aportación científica, descubriendo leyes estadísticas, actualmente conocidas como la Estadística de Fermi-Dirac, y que rigen el comportamiento de las partículas que cumplen el principio de exclusión de Pauli (1900-1958, Premio Nobel de Física en 1945). Estas partículas se denominan fermiones en su honor.

Fermi fue nombrado profesor de Física Teórica en la Universidad de Roma, en la que permaneció hasta 1938, cuando emigró a Estados Unidos.

En sus primeras investigaciones en Italia, Fermi se ocupó principalmente de estudios en electrodinámica y en los fundamentos teóricos de la espectroscopía. En 1934 se produjo un cambio fundamental en su investigación, interesándose en procesos de desintegración radiactiva de núcleos. A partir de la propuesta de Pauli de una nueva partícula en la desintegración beta (el neutrino, que fue bautizado así por Fermi), Fermi elabora una teoría de este fenómeno.

Tras el descubrimiento de los esposos Joliot-Curie (Frederick, 1900-1958, e Irene, 1897-1956; Premios Nobel de química en 1935) de la radiactividad artificial, Fermi demostró que las transformaciones nucleares ocurren en casi cualquier elemento sometido al bombardeo de neutrones; llegando al descubrimiento de los neutrones lentos capaces de provocar transformaciones nucleares y a la síntesis de nuevos elementos químicos artificiales.

Esta investigación fue la que le otorgó el Premio Nobel de Física en 1938. En aquella época en Italia se vivía bajo la dictadura fascista de Mussolini y éste quería que Fermi recogiese el galardón con el uniforme fascista. A Fermi le repugnaba el fascismo, negándose a cumplir las órdenes de Mussolini, lo que unido al hecho de la ascendencia judía de su esposa Laura (1907-1977), se hizo acreedor de los odios fascistas. Por esta razón, Fermi y su familia (esposa y dos hijos) emigraron directamente a Estados Unidos desde Estocolmo.

En 1938, cuando Fermi llegó a Estados Unidos, ya era el mayor experto teórico-experimental en física nuclear; lo que hizo que se le ofreciese el puesto de profesor en la Universidad de Columbia, donde permaneció hasta 1946 (con largas estancias en Los Álamos, durante su trabajo en el proyecto Manhattan, ver más adelante).

En 1938, Hahn (1879-1968, Premio Nobel de Química en 1944) y Strassmann (1902-1980) descubrieron la fisión nuclear, lo que inmediatamente inspiró a Fermi la posibilidad de que la emisión de neutrones secundarios en el proceso podría dar lugar a una reacción en cadena; lo que demostró experimentalmente , llegando a la primera reacción nuclear en cadena controlada y al primer reactor nuclear (2 de diciembre de 1942). Durante esta investigación Fermi y sus colaboradores fueron capaces de anticipar qué elementos químicos (por ejemplo, el plutonio, Z = 94, aún no conocido) proporcionarían neutrones lentos capaces de sustentar una reacción en cadena. Su conocimiento de la física nuclear le llevó, inevitablemente, a colaborar en el proyecto Manhattan que dio lugar a la primera bomba atómica.

En 1946, Fermi se incorpora a la Universidad de Chicago para dirigir el Instituto de Estudios Nucleares. Allí, Fermi comenzó a investigar en física de altas energías, en las interacciones pión-nucleón y en la naturaleza de los rayos cósmicos; hasta su inesperado fallecimiento el 28 de noviembre de 1954.

Pocos científicos han realizado una investigación tan amplia y variada en tantas áreas de la física. Por eso, no es de extrañar la enorme cantidad de términos científicos (conceptos, teorías, unidades, equipamiento, etc) que llevan el nombre de este gran científico.

También debemos destacar su papel como mentor de grandes científicos, algunos galardonados con el premio Nobel. Entre sus discípulos podemos mencionar a Segré (1905-1989, Premio Nobel de Física, 1959), Majorana (1906-1959), Chamberlain (1920-2006), Yang (nacido en 1922, Premio Nobel de Física, 1957) y Lee (nacido en 1926, Premio Nobel de Física, 1957), entre otros.