Это открытие окончательно нарушило представление об атоме, как о неделимом элементе: Бор, Беккерель, Резерфорд, Мария Склодовская-Кюри, Пьер Кюри, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доказали, что атом делим.
В 1937 году Фредерик Жолио-Кюри создал исследовательский центр ядерной физики и химии при Коллеж де Франс, где он преподавал, продолжая работать в Институте радия. В новом центре Фредерик объединил физику и химию в исследовании атомного ядра.
Под патронажем Фредерика Жолио-Кюри велось строительство одного из первых в Европе циклотронов.

В 1938 году немецкий физик Отто Ган открыл расщепление урана. Фредерик Жолио-Кюри одним из первых предположил, что этот процесс сопровождается испусканием нейтронов, и, следовательно, возможна цепная реакции. 30 января 1939 года ученый изложил свои выводы в Парижской Академии наук. Доклад назывался "Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов".
Фредерик Жолио-Кюри начал работы по конструированию уранового котла, даже закупил в Норвегии большое количество тяжелой воды, но его планы нарушила немецкая оккупация. С риском для жизни Фредерик тайно переправил запасы тяжелой воды и документы по созданию ядерного реактора в Англию, где физики-ядерщики использовали это в своих экспериментах.

30 сентября 1939 года в обстановке строжайшей секретности Фредерик Жолио-Кюри передал в Академию наук Франции запечатанный конверт с описанием взрывной цепной реакции. Конверт был вскрыт через десять лет.
Фредерик пережил все тяготы войны в Париже, не покидая руководящих постов в Коллеж де Франс и Институте радия. Он вступил в движение Сопротивления и стал изготавливать в лаборатории взрывчатку и радиоаппаратуру.
Осенью 1944 года, после освобождения Парижа войсками союзников, Фредерик Жолио-Кюри получил пост директора Национального центра научных исследований.

В 1948 году под руководством Фредерика Жолио-Кюри был пущен первый во Франции ядерный реактор.
Жолио вел широкую общественную и политическую деятельность. Он - член ЦК компартии Франции и борец за мир, был избран президентом Всемирного Совета Мира.
В 1955 году десять Нобелевских лауреатов, включая Фредерика Жолио-Кюри, обратились к ученым всего мира с призывом встретиться и возвысить свой голос против использования атомной энергии в военных целях.
В 1956 году умерла Ирен Кюри. Фредерик стал ее преемником на посту директора Института радия и продолжил курс лекций в Сорбонне, который не успела дочитать супруга.
14 августа 1958 года Фредерик Жолио-Кюри умер.
Жан Фредерик Жолио-Кюри внес неоценимый вклад в развитие физики и химии.