Pada 1934, Frank menjadi opsir ilmiah di Institut Fisika P.N. Lebedev di Akademi Ilmiah Uni Soviet. Pada tahun yang sama, Pavel Cherenkov menemukan bahwa cahaya dipancarkan oleh partikel yang dibebaskan yang berjalan dengan kecepatan tinggi melalui air. Frank dan Igor Tamm menyediakan penjelasan teoretis mengenai efek ini, yang terjadi saat partikel berjalan melalui medium transparan secara optis dengan kecepatan lebih tinggi daripada kecepatan cahaya di medium itu. Penemuan ini menimbulkan pengembangan pada pendeteksian dan pengukuran kecepatan partikel berkecepatan tinggi dan menjadi kepentingan besar untuk riset dalam fisika nuklir.
Pada 1944, ia menjadi kepala jurusan fisika di Universitas Negeri Moskwa. Sejak 1957, ia telah mengepalai Laboratorium Neutron di Institut Bersama Investigasi Nuklir. Frank juga menjadi anggota Akademi Ilmiah Uni Soviet pada 1946.