Der Physiker gilt als einer der erfolgreichsten Experimentatoren der Geschichte. Die Entdeckung der Radioaktivität durch Antoine Henri Becquerel wurde für Rutherfords Forschungen bestimmend. Er untersuchte die ionisierende Wirkung radioaktiver Strahlung auf Gase und entdeckte zwei unterschiedlich stark absorbierbare Komponenten, die er Alpha-Strahlen und Beta-Strahlen nannte. Er konzentrierte sich auf die Erforschung der Alpha-Teilchen und 1903 gelang ihm ihre Ablenkung im starken Magnetfeld und der Nachweis, dass sie positiv geladen sind.
Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls fand er 1902 zusammen mit Frederick Soddy. Rutherford erhielt für die „Untersuchungen über den Zerfall der Elemente und die Chemie der radioaktiven Materie“ 1908 den Nobelpreis für Chemie.
Sein bekanntester Beitrag zur Atomphysik ist das „Rutherfordsche Atommodell“, das er 1911 aus seinen Streuversuchen von Alphateilchen an Goldfolie ableitete. Rutherford gilt damit heute als einer der Pioniere der Forschung rund um Radioaktivität und Atomkraft.