1935. su Enrico Fermi i Emilio Segre objavili da bi se brzi neutroni mogli usporiti u nuklearnoj reakciji, propuštanjem kroz kemijske tvari koje sadrže vodik, kao što su voda i parafin, što je bilo i potvrđeno. Utvrdilo se da tvari koje su građene od atoma male atomske mase mogu usporiti neutrone, kao što su vodik, deuterij, berilij, ugljik. Usporavanje neutrona u takvim tvarima nastaje zato što neutroni jedan dio svoje kinetičke energije predaju njihovim atomima, pa se odbijaju s manjom brzinom. Takva sredstva koja služe za usporavanje neutrona nazivaju se usporivači neutrona ili moderatori.
Kad je bio u posjeti 1938. u Kaliforniji, fašistiBenita Mussolinija su uspjeli progurati antisemitski zakon, po kojem bi trebalo izbaciti Židove s univerziteta. Kako se to odnosilo i na njega, ostao je u SAD-u, i pronašao posao u Berkeleyevom labaratoriju, gdje je radio za vrlo malu nadnicu kod Ernesta Lawrencea. Uspio je opstati s dodatnim predavanjima iz fizike. Uspio je otkriti i nove kemijske elemente: plutonij-239 i astat. Otkriće plutonija-239 je pomoglo izgradnji atomske bombe, koja je 1945. bačena na Nagasaki.
Emilio Segre je poznat i po tome što se bavio fotografiranjem i u svom radu je skupio veliku zbirku vrijednih fotografija. Umro je sa 84 godine od srčanog udara.