В начале творческой деятельности занимался исследованиями в области теории конденсаторов и пьезоэлектричества (изобретения: «Конденсатор переменной емкости», патент России № 34414, и др.).
С 1933 г. — вопросами физики атомного ядра (открытие: явление изомерии у искусственно-радиоактивных элементов, изобретения: «Циклотронная камера», патент России № 58953, и др.).
Курчатов выполнил ряд научных работ, связанных с делением тяжелых ядер и явившихся теоретической основой для создания отечественного атомного оружия.
Под руководством Курчатова и по его проекту построена первая в мире атомная электростанция в г. Обнинске Калужской области.
Именем Курчатова назван в СССР искусственно полученный радиоактивный химический элемент IV группы периодической системы Менделеева Курчатовий (Ku) с атомным номером 104, город и административный район Курской области, где построена и работает Курская атомная электростанция, а также улица в Кировском районе (ныне Железнодорожный округ) Курска.