وی پس از اتمام تحصیلات مقدماتی در زادگاهش راهی دانشگاه کمبریج در انگلستان شد و از سال 1919م به استادی فیزیک تجربی این دانشگاه دست یافت. رادرفورد در این هنگام، تحقیقات و مطالعات خود را بر تجزیه وتحلیل تشعشعات رادیواکتیو متمرکز کرد. رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود، با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود، دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند، شناسایی کرد.

وی اشعه اول را که تابشی با بار الکتریکی مثبت بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام نهاد و اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد، زیاد بود، اشعه بتا نامید. رادرفورد همچنین پس از چندی اشعه سومی را که شبیه پرتوهای ایکس بود و نافذترین تابش را داشت، پرتو گاما نام گذاری کرد. وی سپس قسمتی از اشعه صادر شده از عنصر رادیواکتیو رادیوم را در لوله ای جمع آوری کرد و پس از بررسی های فراوان، طیف هلیوم را که عنصر دیگر رادیواکتیو است در آن مشاهده کرد.

رادرفورد در این آزمایش متوجه شد که ذره آلفا، همان اتم های هلیوم است. رادرفورد در سال 1903م به عضویت انجمن سلطنتی لندن درآمد و در سال 1904م نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را منتشر کرد. شهرت روزافزون رادرفورد در مجامع علمی سبب شد که از طرف دانشگاه ها، تصدی کرسی های استادی زیادی به وی پیشنهاد شود. از این رو، رادرفورد در دانشگاه منچستر، رهبر گروهی شد که کار آن تدوین نظریه های تازه درباره ساختار اتم بود. وی در سال 1908م به دلیل تحقیق در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر، موفق به اخذ جایزه نوبل شیمی شد.

بزرگ ترین دستاورد علمی رادرفورد در این سال ها، کشف ساختار هسته اتم بود که این امر، دانش فراوانی درباره ماهیت ماده برای جامعه علمی به ارمغان آورد. او آشکارا بزرگ ترین فیزیکدان آزمایشگر زمان خود بود و به دلیل پژوهش های طولانی درباره اتم به پدر انرژی هسته ای شهرت یافت. رادرفورد اتم را موجود سختی می دانست که یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار است که دارای اسرار نهفته فراوانی است. ارنست رادرفورد سرانجام در یازدهم ژوئن 1937م در 66 سالگی درگذشت.