Работать И. В. Курчатов начал в Магнитометеорологической обсерватории в г. Павловске (под Петроградом), затем в Гидрометеорологическом центре в Феодосии, а позднее на кафедре физики Азербайджанского политехнического института (г. Баку). В 1925 г. он был приглашен в Ленинградский физико-технический институт, где началась его научная деятельность под руководством академика А. Ф. Иоффе. В 1925—1928 гг. он научный сотрудник и старший физик ЛФТИ. В 1928 г. И. В. Курчатов возглавил лабораторию общей физики ЛФТИ.
В начале научной деятельности И. В. Курчатовым было открыто явление сегнетоэлектричества и дано объяснение высоких диэлектрических постоянных сегнетовой соли, что впоследствии имело большое значение при разработке диэлектриков с высокими диэлектрическими свойствами. В 1933 г. вышла его монография “Сегнетоэлектрики”. В 1934 г. за цикл исследований по физике диэлектриков и полупроводников И. В. Курчатову без защиты диссертации была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук. В 1935 г. он был утвержден в звании профессора.
В 1932 г. И. В. Курчатов возглавил отдел ядерной физики ЛФТИ. Работая в области ядерной физики, он открыл явление ядерной изомерии, имевшее фундаментальное значение для разработки теории строения атомного ядра. В 1935 г. вышли его монография “Расщепление атомного ядра” и два учебных пособия для физических факультетов.
Он был введен в состав Комиссии по атомному ядру при Физико-математическом отделении АН СССР и Комиссии по проблеме урана при Президиуме АН СССР, которые были созданы в 1938 г. и в 1940 г.
Когда началась Великая Отечественная война, И. В. Курчатов вместе с А. П. Александровым и другими сотрудниками ЛФТИ принял участие в работах по защите кораблей от магнитных мин. За работы по размагничиванию кораблей Игорь Васильевич был удостоен в 1942 г. своей первой Сталинской премии.
28 сентября 1942 г. Государственный Комитет Обороны принял распоряжение о возобновлении прерванных войной исследований по проблеме использования атомной энергии. Уже в октябре 1942 г. к этим работам на правительственном уровне был привлечен И. В. Курчатов. А 11 февраля 1943 г. было принято новое распоряжение ГКО, которым И. В. Курчатов был назначен научным руководителем работ по урану. Он же возглавил Лабораторию № 2 АН СССР - головной институт по проблеме использования атомной энергии, созданный в соответствии с этим распоряжением ГКО (будущий Курчатовский институт). В 1943 г. И. В. Курчатов был избран действительным членом АН СССР. В то же время, опираясь на воспитанников школы академика А. Ф. Иоффе, он поддержал и организовал широкий фронт работ по разделению изотопов методом диффузии (И. К. Кикоин), электромагнитному разделению изотопов (Л. А. Арцимович), тяжеловодным реакторам (А. И. Алиханов). В августе 1944 г. в Лаборатории № 2 АН СССР было завершено строительство циклотрона и состоялся его пуск.
Особое внимание И. В. Курчатов уделял и организации исследований по проблеме создания атомной бомбы. С этой целью в 1944 г. он привлек к работе в Лаборатории № 2 Ю. Б. Харитона, который в мае 1945 г. был назначен научным руководителем этих работ. С апреля 1946 г. работы над атомной бомбой начали проводиться в Конструкторском бюро № 11 (КБ-11), созданном при Лаборатории № 2 АН СССР (теперь это Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики).
В августе 1945 г. после атомных бомбардировок США японских городов Хиросимы и Нагасаки работы над советским атомным проектом получили высший приоритет. Постановлением ГКО от 20 августа 1945 г. для руководства атомной отраслью страны были созданы новые государственные органы - Специальный комитет и Первое главное управление (ПГУ). И. В. Курчатов стал членом Специального комитета, заместителем председателя Технического совета Специального комитета, заместителем председателя Научно-технического совета ПГУ, а с декабря 1949 г. - председателем НТС ПГУ. В 1953 г. он был назначен председателем HTC № 1 Минсредмаша.
В 1946 г. под руководством И. В. Курчатова в Лаборатории №2 АН СССР был собран и 25 декабря 1946 г. пущен первый на Евразийском континенте экспериментальный ядерный реактор Ф-1. Для его сооружения потребовались уникальный по чистоте графит и чистый металлический уран.
Первые микрограммы плутония были получены на циклотроне, затем на реакторе Ф-1. На очереди было завершение строительства и пуск промышленного реактора. В 1947 г. постановлением СМ СССР И. В. Курчатов назначается научным руководителем завода № 817 (теперь комбинат “Маяк”), где сооружался первый промышленный уран-графитовый реактор. Пуск реактора состоялся в июне 1948 г. В первой половине 1949 г. были завершены наработки и выделение необходимого для первой атомной бомбы количества плутония.