费米实验室是全球闻名的实验室，位于美国伊利诺伊州，全称为费米国立加速器实验室，拥有目前全世界能量输出最高的粒子加速器。费米被公认为20世纪首席物理大师之一，他首创了β衰变理论，是弱相互作用理论的前导，负责设计建造了世界首座自持续链式裂变核反应堆。费米还是曼哈顿计划的主要领导者，与罗伯特·奥本海默共同被尊称为“原子弹之父”。
恩里科·费米出生在意大利罗马一个小康之家，父亲阿尔伯托是一位铁路段长，母亲生育了3个孩子。费米和哥哥朱利奥建立起了深深的感情依赖，他们一起制作出自己设计的电动机，并使电动机运转；他们绘制出让周围所有儿童着迷的飞机引擎草图，让专家们都惊叹不已；费米和哥哥还一同设计制作了很多机械玩具和电动玩具。
1915年冬天，朱利奥突然不幸病逝了，费米从此失去了最好的朋友和玩伴。哥哥去世后，学习成了费米排解忧伤的唯一方式。他深深地沉醉在数学和物理学中，在轻轻松松完成了学校的功课后，还如饥似渴地到处寻找书籍，他阅读了《物理数学初步》这本专业书籍，并认为这是一本非常好的书。
1918年，中学毕业的费米参加了比萨大学高等师范学院的入学考试。费米被要求写一篇关于弦振动的论文，费米交的论文题为《声音的性质》，文中他列出了一根振动棒的偏微分方程，并用傅立叶分析解出了这个方程。这篇出自高中生之手的论文让主考官惊叹，甚至决定面见这个才华横溢的年轻人，并告诉费米他是一个“出类拔萃”的人。
1922年，21岁的费米获得了物理学博士学位，论文内容是弯曲晶体的X射线衍射以及由此方法获得的图像。按照惯例，费米要做一场学位论文公开演讲。很多人都期待听到这位在比萨大学俨然已经成为物理学权威人士的学生的演讲，但是这个演讲却让很多人“失望”了。并不是费米的演讲内容不够精彩，而是他的物理学造诣超出了很多人的理解能力，除了少数几个人惊讶地扬起眉毛之外，其他人均是一头雾水，观众席中甚至有人打起哈欠。
1924年，费米回到意大利，并在佛罗伦萨大学教授数学。两年之后，费米的一篇关于理想气体行为的论文获得了意大利著名物理学家、罗马大学物理系主任柯比诺教授的青睐，被邀请担任理论物理学教授的职务，并开设了当时意大利国内第一个理论物理学讲座。26岁的费米获得了人生第一个终身席位，对大多数教授来说，他们可能要到50岁才能得到这个席位。
1934年，居里夫人的女儿伊伦娜·约里奥·居里和她的丈夫发现用具有天然放射性的α粒子去轰击目标物铝等轻元素时，目标物也会具有放射性，他们开拓性的研究获得了1935年的诺贝尔物理学奖。费米想到了使用降低了速度但增加了能量的中子来轰击元素。
实验能力强大的费米和他的研究伙伴们按照元素周期表的顺序，一个一个用中子去轰击这些元素，从氟开始，奇迹出现了，其后的元素被一个个激活，不到两个月的时间，他们获得了三十几种新的放射同位素。
1938年，费米因为“论证了由中子轰击所产生的新的放射性元素，并且发现了由慢中子引起的核反应”而荣获当年的诺贝尔物理学奖。然而在费米获得诺贝尔奖后的第12天，有研究证明费米发现的新元素“93号元素”竟然是已知的第56号元素钡。听到这个结果后费米的第一反应是重复了实验，并坦率承认和检讨了自己的错误，表现出了一个科学家该有的素养。
1938年的意大利已经开始了反犹太运动。
尽管费米不热衷政治，但是因为他的妻子是犹太人，他的家庭已经受到了骚扰。于是费米夫妇决定，趁着前往瑞典斯德哥尔摩领取诺贝尔奖之际，逃离意大利，移民美国。1939年2月，费米抵达纽约，并接受了哥伦比亚大学物理学教授的职位。费米到纽约后获悉几位效忠于希特勒政府的法西斯科学家试图利用链式反应的原理制造原子弹，于是他和几位科学家起草了一封由爱因斯坦署名的信，递交给美国总统罗斯福，提醒他注意这一威胁。
1945年6月，在新墨西哥州的一个空军基地，第一颗原子弹爆炸试验成功。据说爆炸前费米在地面上洒下些纸片，通过测量原子弹爆炸后转化成气流的力量来测定原子弹的威力。几个星期后，原子弹被用于二战战场——日本的广岛和长崎。原子弹给人类带来的伤害让他陷入深深的思考，他决心离开“战争科学”，回到基础研究。
1946年，费米成为芝加哥大学原子核研究所的教授，并推动建造了芝加哥大学大型粒子加速器，1950年费米当选为英国皇家学会的外籍会员。
费米一生的最后几年，主要从事高能物理的研究。1949年，他揭示了宇宙线中原粒子的加速机制，研究了Л介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙线起源理论。他与杨振宁合作，提出基本粒子的第一个复合模型。1952年，费米发现了第一个强子共振──同位旋四重态。费米还培养了一批年轻物理学家，他对这些年轻人倾注了极大的热情和心血，他们在费米的引导下都获得了巨大成就，其中包括来自中国的学生杨振宁和李政道。
1954年，费米不幸患上胃癌。当他的同事去医院看望他时，费米正在测量他静脉输液管里液体的流速，数着液体的滴数，用秒表为它们计时。1954年12月9日，费米逝世，年仅54岁。为了纪念费米对物理学的贡献，原子序数为100的元素被命名为鐨。杨振宁曾这样评价费米：“他是20世纪一位大物理学家，他是最后一位既做理论，又做实验，而且在两个方面都有一流贡献的大物理学家。
认识费米的人普遍认为，他之所以能取得这么大的成就，是因为他的物理学是建立在稳固的基础上的，他总是双脚落地的。”