Одна из первых работ молодого физика — определение физических характеристик природных радиоактивных элементов, изучение ионизации, вызванной прохождением альфа-частиц через газы при низком давлении. Для своих работ Фредерик сконструировал камеру Вильсона и получил прекрасные фотоснимки столкновений тяжелых частиц — звезды. Эти снимки стали классическими и неоднократно воспроизводились в учебниках и монографиях по ядерной физике.
В Институте радия исследователи широко использовали в своей работе полоний как мощный источник альфа-частиц. А. Лакассань писал: «Изучение свойств полония составляло в то время любимое дело лаборатории, потому что от полония ждали многого вследствие его очень ценной и редкой способности испускать альфа-частицы в практически чистом виде. Эти своего рода тяжелые снаряды казались наиболее пригодными для разрушения барьеров, стоящих на пути к лучшему познанию строения атома; альфа-частицы позволили Резерфорду осуществить первую ядерную реакцию. Поэтому в течение многих лет г-жа Кюри прилагала все усилия, чтобы получить, где только возможно, RaD — остаток расщепления радона».
В начале тридцатых годов Институт радия имел в своем распоряжении уже значительное количество «предка» полония — радия. Однако его все же было недостаточно для проведения новых непрерывно расширяющихся работ. Поэтому Фредерик и Ирен занялись извлечением полония из 1,5 грамма радия, имевшегося в Институте. Жолио-Кюри выполнили сложные операции по очистке и отделению RaD (свинца-210), RaE (полония-210) и RaF (висмута-210). Им удалось получить мощные полониевые излучатели активностью до 200 милликюри (1 грамм радия обладает активностью 1 кюри; 1 милликюри — 1/1000 часть кюри). Концентрации радия, с которыми приходилось работать, представляли большую опасность и необходимо было соблюдать строжайшие меры предосторожности.
Все эти работы требовали, разумеется, высокого экспериментального мастерства, которым Ирен и Фредерик обладали в равной мере. Впоследствии Луи де Бройль сказал, что Фредерик Жолио-Кюри был необыкновенно умелым экспериментатором, проникновенный ум которого среди сложности явлений мог замечать с первого взгляда существенный факт.
В 1937 году Ф. Жолио-Кюри был назначен профессором Коллеж де Франс, где возглавил кафедру ядерной химии. Вместе с сотрудниками он приступил к организации здесь научно-исследовательского центра по ядерной физике, а через несколько лет — к строительству протонного циклотрона на 7 миллионов электрон-вольт, необходимого для проведения намеченных программой исследовательских работ.
Одновременно Ф. Жолио-Кюри создал ядерную лабораторию Национального центра научных исследований.
В дальнейшем деятельность ученого была направлена на организацию и других важных научно-исследовательских центров. Вся эта работа имела большое значение для развития французской науки, в частности атомных и ядерных исследований, а также атомной техники. В конце тридцатых годов между Институтом радия, руководимым Ирен, и двумя новыми научными центрами (Коллеж де Франс и Национальный центр научных исследований), которые возглавлял Фредерик, установилась тесная научная связь. Франция получила возможность быстро продвинуться вперед в области ядерной физики.
Тридцатые годы вплоть до начала второй мировой войны были очень плодотворны в деятельности Ирен и Фредерика Жолио-Кюри.
После смерти профессора Поля Ланжевена в 1946 году Фредерик Жолио-Кюри занял кафедру ядерной физики и стал профессором экспериментальной физики Коллеж де Франс, где за время своей работы прочел 14 оригинальных курсов, в том числе курсы ионизирующих излучений, строения вещества, ядерных реакций. Правила этого учебного заведения требовали от профессоров, чтобы они каждый год меняли предмет курса лекций, отражая новейшие достижения науки.
В 1946 году по предложению Ф. Жолио-Кюри во Франции был организован комиссариат по атомной энергии. В его задачу входила координация важнейших научно-исследовательских, технических и производственных работ по ядерной физике и атомной энергетике, имеющих государственное значение. Правительство назначило его руководителем комиссариата.
Скоро после назначения на ответственный пост верховного комиссара он дважды, в июне и сентябре 1946 года, выезжал в Соединенные Штаты Америки для участия в работе комиссии Организации Объединенных Наций (ООН) по атомной энергии в качестве заместителя руководителя французской делегации — главного делегата Франции в ООН А. Пароди. Вместе с Фредериком была Ирен.
В Нью-Йорке Фредерика Жолио-Кюри пригласили выступить по радио для американских слушателей, которым его имя было хорошо известно.
Фредерик Жолио-Кюри был одним из авторов декларации французского правительства, которую огласил А. Пароди в Комиссии ООН по атомной энергии 25 июня 1946 года. От имени французского народа правительство торжественно заявляло, что все атомные исследования во Франции проводятся только с мирными целями и не имеют ничего общего с разработкой атомного оружия.