ヨーロッパでのキャリア
フェルミは1924年にイタリアに帰国し、フィレンツェ大学で数学物理学の講師に就任しました。 初期の研究は、一般相対性理論、統計力学、量子力学の分野であった。 気体縮退（予期せぬ現象の出現）の例は知られていたが、いくつかのケースはボースと呼ばれる素粒子の振る舞いを記述するボース-アインシュタイン統計で説明されていた。 1926年から1927年にかけて、フェルミとイギリスの物理学者ディラックは、パウリの排他律に従う素粒子（電子、陽子、中性子（未発見）、その他半整数のスピンを持つ粒子）を扱う新しい統計（現在のフェルミ・ディラック統計）を独自に開発し、現在ではフェルミ粒子として知られるようになっています。
この重要な研究により、フェルミは1926年にローマ大学の正教授に招聘されました。 1927年に就任して間もなく、ピサの友人で同じく優れた実験家であるフランコ・ラセッティがローマでフェルミに加わり、二人を中心に優秀な学生を集め始めた。 エミリオ・セグレ、エットーレ・マジョラナ、エドアルド・アマルディ、ブルーノ・ポンテコルヴォなど、いずれも優れた経歴の持ち主たちである。
1929年、フェルミはイタリア初の理論物理学教授として、またヨーロッパ科学の新星として、イタリアの首相ベニート・ムッソリーニによって、彼の新しいアカデミア・デイタリアに指名されました。
1920年代後半、量子力学は原子物理学の問題を次々と解決していったが、フェルミは他の誰よりも早く、この分野が枯渇しつつあることを認識し、より原始的に発展した原子物理学の分野に意図的に焦点を移したのである。 放射能が原子核の現象として認識されるようになってから20年近く経っていたが、まだ謎は多い。 原子核からマイナス電子が飛び出すベータ崩壊では、エネルギーと運動量が保存されていないように見えるのだ。 フェルミは、オーストリア出身の物理学者ウォルフガング・パウリが数年前に提唱したニュートリノというほとんど検出されない粒子を利用して、ベータ崩壊の理論を構築し、バランスを回復させた。
1933年、フランスのフレデリックとイレーヌのジョリオ=キュリー夫妻は、アルファ粒子（ヘリウム原子核）による人工放射能を発見しました。 フェルミは、その1年前にイギリスの物理学者チャドウィックが発見した中性子が、荷電核に衝突してこのような反応を起こすのにさらに適した弾丸であることをすぐに推論した。 フェルミは同僚たちと60以上の元素に中性子を浴びせ、ガイガー・ミュラー計数管で放出量を検出し、化学分析で生成された新しい放射性同位元素を特定することに成功した。 その過程で、偶然にも、中性子の速度を遅くしたものが効果的であることを発見した。 ウランの実験では、いくつかの活動が見られたが、何が起こったのか解釈することができなかった。 超ウラン元素（ウランより原子番号の大きい92番の元素）ができたのではと考える科学者もいた。 1938年、ドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが実験的に、オーストリアの物理学者リセ・マイトナーとオットー・フリッシュが理論的に、ウランが分裂し、いくつかの放射能が核分裂片から検出されたことを明らかにして、この問題が解決されるまでは。 イタリアが同盟国ナチスドイツの反ユダヤ政策を採用したとき、フェルミの妻ラウラがユダヤ人であったため、危機が訪れたのである。 1938年のノーベル物理学賞受賞は、偶然にも一家に海外渡航の口実を与え、その賞金で米国に移住することになった。