Opracował mikroskopowy rozkład prawdopodobieństwa fermionów (statystyka Fermiego-Diraca), nazwanych tak na jego cześć. W ostatnich latach życia był wraz ze Stanisławem Ulamem inicjatorem pierwszych doświadczeń komputerowych. Zmarł na raka żołądka, po długiej chorobie, zachowując, według wspomnień Ulama, do końca jasność myśli i obiektywność sądów.
Na jego cześć mianem „ferm” (łac. fermium, skr. Fm) nazwano pierwiastek chemiczny o l.a. 100, odkryty wśród produktów rozpadu pierwszej amerykańskiej bomby wodorowej. Również pozaukładowa jednostka długości w fizyce jądrowej odpowiadająca 1 femtometrowi nazwana została „fermi” (f).
Raport Fermiego Wedle raportu Fermiego z 1934 r., umieścił on – raczej intuicyjnie niż z przyczyn racjonalnych – parafinę pomiędzy źródłem neutronów a bombardowanym przez nie celem. Nie było w tym przeczucia ani świadomego rozumowania... przypadkowo wziąłem kawałek parafiny. W wyniku tego doszło do zwiększenia intensywności oddziaływania neutronów od kilkudziesięciu do kilkuset razy. Tak Fermi zetknął się przypadkowo ze spowolnionymi neutronami.