Assieme a suo fratello John, sperimentò le applicazioni in medicina sia dei neutroni come agenti distruttivi dei tessuti cancerosi, sia dei radioisotopi come traccianti per studiare il ricambio organico.
Nel laboratorio diretto da Lawrence furono isolati nel 1940 due nuovi elementi radioattivi: il nettunio ed il plutonio. Quest'ultimo ebbe grande importanza nel progetto Manhattan, che portò gli Stati Uniti alla realizzazione della prima bomba atomica. Lawrence ebbe una parte di primo piano in quest'impresa, ed il suo lavoro fu fondamentale per costruire la bomba atomica contribuendo, assieme a Robert R. Wilson, allo sviluppo della tecnica di separazione dell'Uranio 235, con il quale fu costruita la bomba che distrusse Hiroshima. La tecnica di separazione dell'uranio 235 è alla base della reazione nucleare anche nelle moderne bombe atomiche.
