Академик АН СССР.
Видный организатор науки. Основатель Института физических проблем, директором которого оставался вплоть до последних дней жизни. Один из основателей Московского физико-технического института. Первый заведующий кафедрой физики низких температур физического факультета МГУ.
Лауреат Нобелевской премии по физике за открытие явления сверхтекучести жидкого гелия, ввёл в научный обиход термин «сверхтекучесть». Известен также работами в области физики низких температур, изучении сверхсильных магнитных полей и удержания высокотемпературной плазмы. Разработал высокопроизводительную промышленную установку для ожижения газов. С 1921 по 1934 год работал в Кембридже под руководством Резерфорда. В 1934 году во время гостевого визита был насильно оставлен в СССР. В 1945 году входил в состав Спецкомитета по советскому атомному проекту, но его двухлетний план реализации атомного проекта не был одобрен, в связи с чем он попросил об отставке, просьба была удовлетворена. С 1946 по 1955 годы был уволен из государственных советских учреждений, но ему была оставлена возможность до 1950 года работать профессором в МГУ им. Ломоносова.