Az egyetemes fizikatörténet egyik legnagyobb kísérleti fizikusa. Munkássága meghatározó az atomszerkezet megismerésében.
A radioaktivitás jelenségét kutatva 1897-ben felfedezte az alfa- és a béta-sugárzást, majd 1908-ban kimutatta, hogy az alfa-részecskék valójában héliumatommagok. Frederick Soddyval már 1902-ben arra a következtetésre jutott, hogy a radioaktív sugárzás atomátalakulási folyamatok következtében keletkezik. 1911-ben alkotta meg atommagból és a körülötte keringő elektronokból álló atommodelljét. Létrehozta az első mesterséges magátalakulást.
Elismerései