Рано проявились способности Курчатова и в области педагогической деятельности. В роли препаратора в Крымском университете, а затем ассистента в Бакинском университете он начал педагогическую практику с проведения лабораторных занятий со студентами. Эта практика привила ему вкус к такой работе, ставшей в 1930–1940-е годы любимым делом, в ходе которого складывалась знаменитая курчатовская научная школа.

Уже первыми исследованиями Курчатов вошел в большую науку. Семилетний период деятельности в ЛФТИ под непосредственным руководством академика А. Ф. Иоффе, при тесном сотрудничестве с известными учеными значительно расширил круг научных интересов и достижений Курчатова. Желание творить новое и нужное для страны дело также способствовало выдвижению его в число новаторов отечественной науки. Выполненные в то время Курчатовым и при его участии работы в области физики твердого тела, диэлектриков и полупроводников нашли практическое применение в электро- и радиотехнике, в производстве соответствующей продукции для народного хозяйства страны и военного дела. Результаты его научных достижений использовали при организации лабораторий и цехов, в которых были созданы новые материалы, технологии и приборы.

Приступив в 1932 году к проведению исследований в области ядерной физики в качестве помощника Иоффе, Курчатов уже через пять лет становится одним из лидеров этого направления. Проведенные в его лаборатории научные исследования были восприняты как работы мирового уровня, а их результаты опубликованы в отечественных и иностранных научных изданиях, доложены на Всесоюзных конференциях и совещаниях по физике атомного ядра, на сессиях Отделения физико-математических наук АН СССР.

Уникальность Курчатова как ученого-физика мирового уровня в том, что его становление прошло исключительно в условиях отечественной научной и социальной среды. В отличие от многих своих коллег он отклонял неоднократные предложения о стажировках в лабораториях знаменитых зарубежных физических школ, хотя высоко ценил их достижения.

В 1940 году Курчатов, опираясь на проведенные научные исследования и эксперименты, пришел к выводу о возможности осуществления на созданной в СССР научной базе цепной ядерной реакции, то есть решения в Советском Союзе проблемы получения и использования атомной энергии. Подготовленный план осуществления этой грандиозной научно и практически значимой задачи он направил в Академию наук и правительство СССР. К 1941 году советская наука оказалась готовой к развертыванию практических работ по освоению атомной энергии. Однако начавшаяся Великая Отечественная война вынудила руководство страны приостановить работы в этой области. Предвидя неизбежность возобновления отложенных работ по атомному проекту, учитель Курчатова академик Иоффе пророчески заявил тогда, что руководство всем этим делом следует поручить Курчатову, как лучшему знатоку вопроса и выдающемуся организатору.

Нападение фашистской Германии на Советский Союз вызвало у профессора Курчатова искреннее стремление встать с оружием в руках в ряды защитников родины, но талант ученого был востребован, реализован, а затем и высоко оценен по его прямому предназначению. С частью сотрудников лаборатории ЛФТИ он присоединился к группе А. П. Александрова, занимавшейся проблемой противоминной защиты военных кораблей. За оперативное и эффективное решение этой важной государственной задачи в области военно-морского дела Курчатов был удостоен Сталинской премии 1-й степени, награжден орденом Трудового Красного Знамени и представлен к награждению медалью «За оборону Севастополя».

В 1942 году Курчатов внес большой вклад в решение и такой крупной научной проблемы военно-прикладного характера, как усиление броневой защиты боевой техники. Возглавляемая им лаборатория ЛФТИ успешно справилась с выполнением исследований, связанных с усилением защиты танков, самолетных баков, а также пехоты на поле боя. Был доведен до степени промышленного внедрения метод, позволявший с помощью специального навесного оборудования значительно усилить броню танка без увеличения ее толщины и веса боевой машины. Эта работа Курчатова и коллектива «броневой» лаборатории ЛФТИ была представлена к награждению Сталинской премией.

В 1942 году, еще до официального назначения научным руководителем атомного проекта, Курчатов занял одно из центральных мест в разработке и проведении в жизнь серии важнейших государственно-правовых актов, определивших стратегическую линию, темпы и направления выполнения сложнейшей задачи глобального исторического значения — создания отечественного атомного и термоядерного оружия. С октября 1942 года Государственный Комитет Обороны (ГКО) привлекает его к подготовке материалов, необходимых для принятия правительственных решений по этой проблеме.

Курчатов не был инициатором создания советского атомного оружия. Идея зародилась в ГКО страны в тяжелейшем военном 1942 году под влиянием достоверных сведений о развернутых в Германии, США и Великобритании работах по созданию атомной бомбы. Свое участие в этом деле Курчатов воспринял как вынужденную необходимость, диктуемую сложнейшей международной обстановкой, стремлением обеспечить безопасность своей родины в будущем. Приступая к работе, он, как и ряд других видных отечественных физиков, полагал, что освоение атомной энергии потребует колоссальных государственных средств и ресурсов, которых в разрушенной войной стране крайне мало. Но, в отличие от некоторых своих старших коллег, он выразил моральную готовность взять на себя ответственность за создание атомного щита государства, будучи убежден, что защита отечества является высшим долгом гражданина. Данные разведки о работах на Западе укрепили его уверенность в правильном выборе — согласиться возглавить работы по созданию атомного оружия. Сравнение результатов отечественных и зарубежных исследований позволило Курчатову сделать вывод, что полученные разведкой сведения позволят существенно сократить сроки достижения поставленной цели.

Курчатов на протяжении полутора десятков лет осуществлял непосредственное и постоянное руководство всем огромным комплексом работ по созданию, научному и техническому обеспечению производства ядерных материалов (делящихся веществ и термоядерного горючего), а также по конструированию и испытанию первых советских атомных и водородных бомб. То обстоятельство, что первая советская атомная бомба, успешно испытанная на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года, являлась копией американской, не умаляет огромных заслуг курчатовского коллектива. Ему потребовалось организовать и провести крупномасштабные исследовательские работы в целях перепроверки всех предоставляемых разведкой данных, дабы убедиться, что они не являются дезинформацией. В кратчайшие сроки пришлось «с нуля» создавать огромную научную, экспериментальную и производственную базу, разрабатывать уникальные технологические процессы. Хотя у советских ученых имелись собственные идеи и наработки в заданном направлении, но ради экономии времени их было решено отложить. Принятое ГКО решение о копировании американской бомбы вызывалось политическими обстоятельствами, а не слабостью отечественной науки. Именно такой путь являлся самым коротким и надежным для достижения цели всемирно-исторического значения — разрушения ядерной монополии США и предотвращения атомной войны.